Les réactions chimiques impliquent la rupture d'anciennes liaisons et la création de nouvelles liaisons. Toutes ces créations et ruptures de liaisons nécessitent de l'énergie. Dans la plupart des cas, la quantité d'énergie nécessaire pour rompre les liaisons dans les réactifs est différente de la quantité d'énergie nécessaire pour créer les liaisons dans les produits.
Cette différence d'énergie est absorbée ou libérée par la réaction. L'énergétique est ce que nous appelons l'étude du flux d'énergie dans un processus chimique. Qu'est-ce qui détermine si une réaction va libérer ou absorber de l'énergie ? Continue de lire pour le savoir !
- Dans cet article, nous allons étudier l'énergétique des réactions chimiques.
- Tu découvriras la différence entre l'enthalpie et la chaleur.
- Tu découvriras ce que sont le changement d'enthalpie, l'enthalpie de liaison, la calorimétrie et la loi de Hess.
- Tu apprendras l'énergétique des réactions nucléaires.
- Enfin, nous examinerons l'efficacité et la qualité énergétiques.
Énergétique : cours
L'énergétique fait partie d'un domaine plus large de la chimie appelée thermodynamique ou thermochimie. Elle concerne les changements d'énergie qui se produisent dans une réaction chimique, tandis que la thermodynamique traite de la façon dont ces changements d'énergie affectent les propriétés d'un système chimique.
Énergétique : définition
L'énergétique est ce que nous appelons l'étude du flux d'énergie dans les réactions chimiques.
Les lois de la thermodynamique nous aident à comprendre le comportement de l'énergie. Il existe quatre lois de la thermodynamique, mais nous ne considérerons ici que la première :
L'énergie ne peut être ni créée ni détruite, elle ne fait que se convertir d'une forme à une autre.
L'énergie existe sous différentes formes qui se transforment d'une forme à l'autre. Tu peux en savoir plus sur les différents types d'énergie dans Thermodynamique. En énergétique chimique, cependant, nous ne nous intéressons qu'à deux formes d'énergie :
- L'énergie chimique, stockée dans les liaisons entre les atomes.
- L'énergie thermique, libérée ou absorbée lorsque les liaisons sont rompues ou créées.
L'énergie chimique stockée dans les liaisons entre les atomes se transforme souvent en énergie thermique qui est libérée lorsqu'un processus chimique a lieu. Une réaction absorbe également l'énergie thermique de l'environnement pour briser les liaisons dans les composés. L'équilibre global de l'absorption et du dégagement d'énergie thermique dans une réaction chimique nous indique si le processus chimique est endothermique ou exothermique.
Réactions endothermiques et exothermiques
La rupture des liaisons nécessite de l'énergie sous forme de chaleur. Cela signifie que l'énergie thermique est absorbée ou prise dans l'environnement lorsque les liaisons sont rompues. À l'inverse, la création de liaisons libère de l'énergie thermique. Lorsqu'il y a plus de liaisons rompues que de nouvelles liaisons formées dans une réaction chimique, il y a une absorption globale d'énergie. On appelle ce type de réaction endothermique. D'autre part, lorsqu'il y a plus de liaisons formées que d'anciennes liaisons rompues, il y a une libération globale d'énergie. Nous appelons ces types de réactions exothermiques.
Pour clarifier, les réactions endothermiques absorbent de l'énergie, tandis que les réactions exothermiques en libèrent. Tout dépend du rapport entre les liaisons brisées et les liaisons formées. La rupture des liaisons est un processus endothermique tandis que la formation de liaisons est un processus exothermique. Tu en apprendras un peu plus sur l'équilibre entre la libération et l'évolution de l'énergie lorsque nous examinerons plus tard les diagrammes enthalpiques.
Fig.1 - Formation de liaisons endothermiques et rupture de liaisons exothermiques
En énergétique, tu apprendras comment l'énergie thermique entre et sort d'une réaction chimique. Plus important encore, tu vas découvrir l'enthalpie.
Qu'est-ce que l'enthalpie ? Qu'est-ce qu'il a de si spécial et en quoi l'enthalpie est-elle différente de la chaleur ? Poursuivons notre exploration.
Enthalpie
L'enthalpie (H), ou contenu thermique, est la quantité d'énergie thermique (ou chaleur) stockée dans un système. On la mesure en kilo joules par mole (KJ mol-1).
En énergétique, nous appelons le mélange réactionnel le système et tout ce qui se trouve à l'extérieur du système, comme le laboratoire où tu fais tes expériences, l'environnement.
Lorsqu'une réaction absorbe de l'énergie, l'enthalpie totale du système augmente. Lorsqu'elle libère de l'énergie, l'enthalpie totale diminue. Nous ne pouvons pas mesurer directement l'enthalpie totale d'un système, mais nous pouvons mesurer les changements d'enthalpie qui ont lieu dans une réaction chimique.
La variation d'enthalpie (∆H) est la quantité d'énergie thermique qui est soit absorbée, soit dégagée dans une réaction chimique sous une pression constante.
On utilise la lettre grecque delta " ∆ " pour signifier " changement dans ". Par exemple, ∆H est la variation de l'enthalpie, ∆T est la variation de la température et ∆S est la variation de l'entropie.
L'enthalpie est ce que nous appelons une variable de fonction d'état. Les fonctions d'état sont indépendantes de la voie, ce qui signifie que la valeur de la variable reste la même, quelle que soit la façon dont nous y arrivons.
Par exemple, tu peux emprunter trois chemins pour rentrer de l'école. Ces trois chemins mesurent des distances différentes mais tu prends le même temps à parcourir. Dans ce cas, le temps qu'il te faut pour rentrer chez toi est indépendant du chemin.
Les fonctions d'état nous permettent de calculer le changement d'enthalpie. Si nous connaissons une voie alternative pour une réaction, nous pouvons calculer le changement d'enthalpie. Puisque ∆H est indépendant du chemin, sa valeur sera la même pour une réaction, tant que nous commençons par les mêmes réactifs et finissons avec les mêmes produits.
Flux énergétique
Tu es probablement encore curieux de savoir en quoi l'enthalpie diffère de la chaleur. La plupart du temps, lorsque nous disons "enthalpie", nous voulons également dire "chaleur". Dans la plupart des cas, cela ne pose pas de problème, puisque pour une pression et un volume constants, q = H. Cependant, l'enthalpie et la chaleur ne sont pas exactement interchangeables.
Commençons par la chaleur. La chaleur est une forme d'énergie. Nous disons que c'est l'énergie qui circule entre un système et son environnement en raison d'une différence de température. Par exemple, nous savons que si nous plaçons un glaçon juste à côté d'une tasse d'eau chaude, la chaleur passera de la tasse d'eau au glaçon.
La chaleur (q ou Q) est l'énergie qui circule entre un système et son environnement en raison d'une différence de température. Comme la chaleur est une énergie, nous la mesurons en joules.
Comme nous l'avons vu dans l'exemple du glaçon et de la tasse d'eau chaude, la chaleur est une énergie en mouvement. La chaleur se déplace toujours d'un système chaud vers un système plus froid.
L'enthalpie est la quantité d'énergie thermique dans un système. La chaleur est ce que nous appelons le transfert d'énergie thermique. L'enthalpie est une partie essentielle d'un système car elle dépend du nombre de molécules, de la composition chimique et de la structure. Par ailleurs, la chaleur est une énergie qui traverse les frontières d'un système. La chaleur va et vient - elle n'est pas une partie essentielle d'un système.
Lorsque la chaleur quitte ou entre dans un système, il en résulte un changement d'enthalpie. À pression constante, le flux énergétique est directement lié à l'enthalpie. Heureusement, nous réalisons la plupart des expériences à pression constante, et nous pouvons donc calculer la variation d'enthalpie si nous connaissons la valeur de q. Tu peux en savoir plus à ce sujet dans la section Calorimétrie.
Chaîne énergétique
La chaîne énergétique d'un dispositif désigne l'ensemble des conversions d'énergie qui ont lieu dans ce dispositif. Par extension, ce terme désigne également le diagramme sur lequel on présente les différents types d'énergie impliqués ainsi que leur conversion1.
Diagrammes énergétiques
Nous utilisons des diagrammes énergétiques pour illustrer comment l'enthalpie change dans une réaction chimique.
- Nous dessinons les réactifs et les produits à différents niveaux qui correspondent à leur énergie.
- Nous utilisons des flèches pour montrer les processus de rupture et de création de liaisons.
- Lorsque les liaisons se rompent, de l'énergie est absorbée. Nous le montrons en dessinant une flèche vers le haut.
- Lorsque des liaisons sont créées, de l'énergie est libérée. Nous le montrons en dessinant une flèche vers le bas.
L'enthalpie est une mesure spécifique de l'énergie. Ici, un changement d'enthalpie équivaut à un changement d'énergie.
Le bilan énergétique entre la création et la rupture de liaisons nous indique si une réaction est endothermique ou exothermique. Tu peux voir comment cela fonctionne dans le diagramme enthalpique ci-dessous. Les diagrammes énergétiques sont précieux car ils permettent de savoir facilement si une réaction est endothermique ou exothermique.
Fig.2- Comment dessiner un diagramme enthalpique.
Pour illustrer davantage ce point, regarde un autre diagramme enthalpique ci-dessous. Il montre la combustion du méthane (CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O). Nous pouvons voir sur le diagramme énergétique que l'énergie libérée lors de la formation de nouvelles liaisons est supérieure à l'énergie absorbée pour rompre les liaisons. Cela fait de la combustion du méthane une réaction exothermique.
Fig.3- Diagramme enthalpique la combustion du méthane.
Tu peux en savoir plus sur les diagrammes enthalpiques dans Changements d'enthalpie. Maintenant, parlons de l'enthalpie de liaison.
Qu'est-ce que l'enthalpie de liaison ?
Dans le diagramme énergétique ci-dessus, l'énergie absorbée pour rompre chaque liaison C-H et la liaison O-O est appelée enthalpie de liaison, ou énergie de liaison.
L'enthalpie de liaison (E) est la quantité d'énergie nécessaire pour rompre une mole d'une liaison covalente spécifique en phase gazeuse.
La valeur de l'énergie qui évolue lors de la création d'une liaison est la même que celle qui est absorbée lors de la rupture d'une liaison. Nous pouvons utiliser les enthalpies de liaison pour calculer le changement d'enthalpie d'une réaction. Lorsque nous effectuons des calculs impliquant des enthalpies de liaison, nous utilisons une moyenne de toutes les enthalpies de liaison de la même liaison dans différents environnements. Nous appelons cela l'enthalpie de liaison moyenne. Tu peux en savoir plus à ce sujet dans Enthalpie de liaison.
Calorimétrie
Nous avons déjà mentionné que si nous connaissons la valeur de q (flux de chaleur), nous pouvons calculer le changement d'enthalpie dans une réaction.
La calorimétrie est une méthode permettant de mesurer les changements d'enthalpie qui se produisent au cours d'une réaction chimique.
Il suffit d'enfermer les produits chimiques en réaction dans un récipient avec un thermomètre pour enregistrer tout changement de température. Nous pouvons utiliser ce changement de température pour calculer le changement d'enthalpie de la réaction en utilisant l'équation suivante :
q = mcΔT
- q est l'énergie transférée, mesurée en joules (J).
- m est la masse de l'eau en grammes (g).
- c est la capacité thermique spécifique (J g-1 ºC-1).
- ΔT est le changement de température mesuré en Kelvin (K) ou en degré Celsius (ºC).
Fig.4- Un calorimètre simple, Opentextbc.ca
La capacité thermique spécifique (c) est l'énergie nécessaire pour augmenter de 1 °C la température de 1g d'un liquide donné. Par exemple, l'eau a une capacité thermique spécifique de 4,18 Jg-1 ºC-1. Tu peux en savoir plus sur la chaleur spécifique dans la rubrique Physique thermique.
Tu peux apprendre comment réaliser une expérience de calorimétrie et utiliser les résultats pour calculer le changement d'enthalpie dans Calorimétrie. Parfois, il n'est pas possible d'utiliser la calorimétrie pour calculer les changements d'enthalpie. Lorsque nous rencontrons ce problème, nous utilisons la loi de Hess.
Qu'est-ce que la loi de Hess ?
La loi de Hess stipule que le changement total d'enthalpie pour une réaction est indépendant de la voie de la réaction chimique.
Nous avons vu précédemment que le changement d'enthalpie est une fonction d'état ; en d'autres termes, le changement d'enthalpie est indépendant du chemin. Si nous connaissons une autre voie pour une réaction, nous pouvons calculer le changement d'enthalpie. Ce principe est l'application de la loi de Hess.
En d'autres termes, disons que tu as une réaction chimique entre les réactifs A et les produits B. Tu peux aller directement de A à B, ou tu peux passer par un intermédiaire, C. Selon la loi de Hess, le changement d'enthalpie dans la réaction A → B est égal à la somme des changements d'enthalpie dans la réaction A → C et C → B ! L'image ci-dessous permet d'illustrer ce propos.
Fig.5- Loi de Hess.
Nous pouvons également appliquer l'énergétique aux processus physiques. Explorons maintenant l'énergétique des réactions nucléaires et l'efficacité énergétique.
Énergétique des réactions nucléaires
Dans les réactions nucléaires, nous remarquons un changement visible de la masse lorsque des changements d'énergie se produisent.
As-tu déjà rencontré l'équation d'Albert Einstein E = mc2 ? Elle explique la relation entre la masse et le changement d'énergie dans une réaction. On l'appelle l'équivalence masse-énergie. Quel est le rapport avec l'énergétique ? Chaque fois qu'un changement d'énergie se produit, un changement de masse se produit également. Ces changements sont liés entre eux par la constante c2 (la vitesse de la lumière au carré).
Dans l'équivalence masse-énergie d'Albert Einstein, "m" est le changement net de masse en kilogrammes, et "c" est une constante (la vitesse de la lumière) en mètres par seconde. Les deux unités standards pour exprimer l'énergie nucléaire sont le joule (J) et le mégaélectronvolt (MeV).
Les changements d'énergie qui se produisent dans les processus chimiques sont insignifiants par rapport à la quantité d'énergie libérée par les réactions nucléaires. Comme les changements d'énergie dans les réactions nucléaires sont très importants, nous pouvons observer un changement de masse visible. Ce changement de masse nous permet de calculer les changements d'énergie dans les réactions nucléaires. Pour ce faire, nous utilisons la relation entre l'unité de masse atomique (UMA) et le MeV. Les scientifiques ont découvert que 1 UMA est égal à 1,4924 x 10-10 joules, ce qui correspond à 931,5 MeV !
1 uma = 1,4924 x 10-10 j = 931,5 MeV
L'UMA est la façon dont nous nous référons à la masse d'un atome. Tu peux en savoir plus dans la rubrique Quantité de matière.
Lorsqu'un noyau se forme, la masse est perdue et de l'énergie est libérée sous forme d'énergie de liaison nucléaire. L'énergie de liaison nucléaire est simplement l'énergie nécessaire pour lier les protons et les neutrons ensemble afin de former le noyau. La perte d'énergie est si importante qu'elle se traduit par une perte de masse. Imagine un peu : de l'énergie qui a une masse !
Cette perte de masse est à l'origine de ce que l'on appelle le défaut de masse. Les scientifiques ont observé que la somme des masses des protons et des neutrons individuels est supérieure à la masse du noyau dans son ensemble. En d'autres termes, on parle de défaut de masse lorsque la masse des particules subatomiques individuelles est supérieure à celle du noyau.
Si au contraire tu veux en savoir plus, visite le lien Énergie de liaison.
Rendement énergétique
L'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais elle se transforme en d'autres formes d'énergie comme le mouvement, la chaleur, l'électricité et le son. Ce que nous aimerions vraiment que l'énergie fasse, c'est travailler. Le travail peut être n'importe quoi, du déplacement d'une voiture à l'éclairage d'une pièce, en passant par la cuisson d'un gâteau.
Il n'est pas toujours facile d'obtenir de l'énergie pour faire le travail que nous aimerions qu'elle fasse. Par exemple, nous aimerions qu'un batteur à gâteau tourne sur lui-même pour que la pâte puisse être mélangée uniformément. La plupart de l'énergie électrique que nous fournissons au batteur se transforme en énergie cinétique qui fait tourner le batteur. Cependant, si tu as déjà utilisé un batteur à gâteaux, tu sais qu'une partie de cette énergie électrique est convertie en énergie sonore.
L'énergie sonore n'étant pas très utile pour mélanger la pâte, nous l'appelons énergie perdue. Le rendement énergétique nous indique la proportion de l'énergie fournie à un système ou à une réaction qui est convertie en énergie de travail que nous voulons qu'elle produise.
Le rendement énergétique est le rapport en pourcentage entre l'énergie produite et l'énergie absorbée dans un système.
Les chimistes souhaitent que leurs réactions soient efficaces, car les processus efficaces sont moins coûteux, utilisent moins de ressources, produisent moins de déchets et sont plus durables. Par exemple, la méthode de la métathèse est un moyen de rendre la synthèse organique plus efficace. Dans la métathèse, nous utilisons un catalyseur économe en énergie pour que les réactions à forte économie d'atomes se déroulent à température et pression normales. Pour en savoir plus sur la métathèse, voir Synthèse organique.
Qualité de l'énergie
La qualité de l'énergie mesure la facilité avec laquelle nous pouvons convertir une forme d'énergie en une autre. Dans la plupart des cas, nous souhaitons que l'énergie effectue un travail. Par exemple, nous avons besoin que l'énergie électrique fournie à une ampoule se convertisse en énergie lumineuse pour voir dans un espace sombre. Cependant, une partie de cette énergie se perd sous forme de chaleur.
Les ampoules électriques de haute qualité, comme les ampoules LED, convertissent l'énergie électrique plus efficacement, de sorte que la majeure partie de l'énergie se transforme en énergie lumineuse. En revanche, les vieilles ampoules à filament ne parviennent pas à convertir l'électricité en lumière. La majeure partie de l'énergie fournie à une ampoule à filament est dispersée sous forme d'énergie thermique ! Une énergie de mauvaise qualité ne peut pas être facilement utilisée pour effectuer un travail. En général, c'est parce que l'énergie est trop désordonnée ou se disperse rapidement (voir Entropie pour plus d'informations). L'énergie de haute qualité peut facilement être convertie en travail et est plus efficace.
La qualité énergétique n'est qu'une perception de l'énergie. En d'autres termes, le type d'énergie que tu penses être de haute qualité dépend de ce que tu veux qu'elle fasse. Tous les scientifiques ne sont pas d'accord sur les types d'énergie qui sont de haute qualité. Certains affirment que l'énergie de haute qualité peut être transformée en d'autres types d'énergie sans grande perte, tandis que d'autres disent que l'énergie de haute qualité peut être utilisée pour effectuer des tâches de haute qualité et des travaux de basse qualité.
En général, l'électricité est considérée comme une énergie de haute qualité en raison de son efficacité et de sa capacité à se transformer en d'autres types d'énergie. Certains scientifiques considèrent l'énergie thermique provenant de la combustion d'un combustible comme une énergie de faible qualité, et pensent donc qu'elle ne peut faire que des choses simples, comme faire bouillir de l'eau.
Énergétique - Points clés
- L'énergie est soit absorbée, soit libérée dans les réactions chimiques.
- Les réactions endothermiques absorbent de l'énergie lorsque le rapport entre les liaisons brisées et les liaisons créées est plus élevé.
- Les réactions exothermiques libèrent de l'énergie lorsque le rapport des liaisons créées est supérieur au rapport des liaisons rompues.
- L'enthalpie de liaison est la quantité d'énergie nécessaire pour rompre une mole de liaison covalente en phase gazeuse.
- L'énergie de liaison est affectée par les autres atomes de la molécule et peut donc varier d'un composé à l'autre. Pour cette raison, nous utilisons des enthalpies de liaison moyennes.
- Le changement d'enthalpie (∆H) est la quantité d'énergie thermique absorbée ou libérée dans une réaction chimique sous une pression constante.
- Pour les réactions endothermiques, ΔH est positif, et pour les réactions exothermiques, ΔH est négatif.
- La calorimétrie est une méthode permettant de mesurer les changements d'enthalpie qui se produisent au cours d'une réaction chimique, en mesurant le changement de température.
- Tu peux trouver le changement d'enthalpie à partir de la calorimétrie en utilisant l'équation : q = mcΔT.
- La loi de Hess stipule que le changement d'enthalpie total d'une réaction est indépendant du chemin emprunté.
References
- https://fr.wikipedia.org/wiki/Cha%C3%AEne_%C3%A9nerg%C3%A9tique#:~:text=La%20cha%C3%AEne%20%C3%A9nerg%C3%A9tique%20d'un,impliqu%C3%A9s%20ainsi%20que%20leur%20conversion.
- https://fr.wikipedia.org/wiki/Flux_%C3%A9nerg%C3%A9tique
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Questions fréquemment posées en Énergétique
Comment calculer le rendement énergétique ?
Le rendement énergétique est le rapport en pourcentage entre l'énergie produite et l'énergie absorbée dans un système.
Comment réaliser une chaîne énergétique ?
Étape 1. Identifier les convertisseurs d'énergie. ...
Étape 2. Représenter les convertisseurs d'énergie. ...
Étape 3. Identifier les formes d'énergie absorbées et transférées. ...
Étape 4. Représente les énergies absorbées et transférées. ...
Étape 5. Identifier les réservoirs d'énergie. ...
Quels sont les flux d'énergie ?
Les flux d'énergie sont les mesures de la puissance totale d'un rayonnement électromagnétique émises ou reçues par une surface réelle ou virtuelle.
Cette quantité peut être relative à l'ensemble du spectre électromagnétique ou à un intervalle élémentaire de celui-ci. On parle alors de flux spectral ou spectrique2.
Comment on fait un diagramme énergétique ?
Pour faire un diagramme énergétique, il faut :
- Dessiner les réactifs et les produits à différents niveaux qui correspondent à leur énergie.
- Utiliser des flèches pour montrer les processus de rupture et de création de liens.
- Lorsque les liaisons se rompent, de l'énergie est absorbée. Montrons en dessinant une flèche vers le haut.
- Lorsque des liaisons sont créées, de l'énergie est libérée. Montrer en dessinant une flèche vers le bas.
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