- Cet article a pour sujet le calcul du changement d'enthalpie en chimie physique.
- Nous commencerons par définir le changement d'enthalpie avant de donner ses unités.
- Nous récapitulerons ensuite certains types de changement d'enthalpie.
- Après cela, nous apprendrons comment calculer le changement d'enthalpie à l'aide de la loi de Hess.
- Tu découvriras d'abord la méthode, puis tu pourras appliquer tes connaissances grâce à nos exemples travaillés.
- Nous incluons des questions qui utilisent l'enthalpie de formation, l'enthalpie de combustion et l'énergie moyenne de liaison.
Calcul de la variation d'enthalpie : définition, unités et types.
Avant d'aller plus loin, nous devons répondre à deux questions importantes :
- Qu'est-ce que le changement d'enthalpie?
- Quelles sont les variations d'enthalpie standard?
Lechangement d'enthalpie (∆H) est la quantité d'énergie thermique transférée au cours d'une réaction chimique à pression constante. On la mesure en kJ mol-1.
Les changements d'enthalpiestandard (∆Hº) sont des changements d'enthalpie mesurés dans des conditions standard avec les réactifs et les produits dans leurs états standard.
(Unités : kJ mol-1)
Types de changements d'enthalpie
Bien qu'il existe de nombreux types de changement d'enthalpie, nous parlerons aujourd'hui des changements d'enthalpie standard de la réaction, de la formation et de la combustion.
Lechangement d' enthalpie standard de la réaction (∆rHº) est le changement d'enthalpie lorsque les réactifs forment des produits dans les quantités données dans l'équation chimique équilibrée, dans des conditions standard et avec toutes les espèces dans leurs états standard. En termes simples, c'est le changement d'enthalpie qui accompagne toute réaction standard.
La variation d'enthalpie standard de formation (∆fH°) est la variation d'enthalpie lorsqu'une mole d'une espèce est formée à partir de ses éléments, dans des conditions standard et avec toutes les espèces dans leurs états standard.
La variation d'enthalpie standard de combustion (∆cH°) est la variation d'enthalpie lorsqu'une mole d'une substance brûle complètement dans l'oxygène, dans des conditions standard, avec toutes les espèces dans leurs états standard.
Tu trouveras plus d'informations sur les changements d'enthalpie, d'autres définitions et des exemples, sur le site Changements d'enthalpie.
Calculer le changement d'enthalpie à l'aide de la loi de Hess
Il est impossible de mesurer directement le changement d'enthalpie. Au lieu de cela, nous pouvons le calculer de plusieurs façons. L'une d'entre elles consiste à utiliser la loi de Hess.
Laloi de Hess stipule que le changement d'enthalpie d'une réaction est indépendant du chemin emprunté.
En termes simples, le changement d'enthalpie d'une réaction est toujours le même, quel que soit le nombre d'étapes de la réaction, les autres espèces par lesquelles tu passes ou la façon dont tu te rends du début à la fin.
Prends un réactif A dont le produit est B. Tu peux commencer par A et finir par B en une seule réaction simple - lavoie directe- ou tu peux passer par plusieurs réactions différentes (A à Z, Z à Y, Y à X et X à B) pour arriver à B - la voie indirecte. Dans les deux cas, la variation d'enthalpie reste la même puisque les deux voies commencent par le même réactif et se terminent par le même produit.
Nous pouvons représenter les deux voies sur un diagramme connu sous le nom de cycle de Hess.
Fig. 1 - Exemple de cycle de Hess. Les voies directes et indirectes sont étiquetées en conséquence.StudySmarter Originals
En quoi cela nous aide-t-il ?
Nous ne connaissons peut-être pas le changement d'enthalpie de la voie directe, mais nous connaissons tous les changements d'enthalpie impliqués dans la voie indirecte, qui peuvent être utilisés pour calculer le changement d'enthalpie de la voie directe
Dans l'exemple ci-dessus, la voie directe (allant de A à B) est représentée par le changement d'enthalpie ΔH1. La voie indirecte (qui passe par Z, Y et X) est représentée par les changements d'enthalpie ΔH2, ΔH3, ΔH4 et ΔH5. La loi de Hess nous dit que ΔH1 = ΔH2 + ΔH3 + ΔH4 + ΔH5.
Visite la loi de Hess pour une exploration complète du sujet. Tu peux également découvrir une autre méthode de calcul de la variation d'enthalpie dans l'article Mesurer les variations d'enthalpie. Il s'agit d'utiliser une technique appelée calorimétrie pour mesurer l'énergie thermique transférée au cours d'une réaction, dont nous avons parlé dans l'introduction.
Calculer la variation d'enthalpie d'une réaction
Nous allons maintenant voir comment la loi de Hess est utilisée pour calculer la variation d'enthalpie.
La loi de Hess nous permet de calculer le changement d'enthalpie inconnu de n'importe quelle réaction, à condition que nous puissions le représenter en termes de changements d'enthalpie que nous connaissons. Au niveau AS-level chemistry, cela se limite généralement à calculer l'enthalpie standard de réaction (∆rHº) à l'aide de l'enthalpie standard de formation (∆fHº) et de l'enthalpie standard de combustion (∆cHº).
La voie directe de ton cycle de Hess est toujours la réaction dont tu veux trouver la variation d'enthalpie. Cependant, ta voie indirecte a un aspect légèrement différent selon que tu utilises ∆fHºou ∆cHº:
- Si tu souhaites calculer ∆rHºen utilisant ∆fHº, ton chemin indirect passe par les éléments de l'état standard qui composent toutes les espèces de la réaction.
- Si tu souhaites calculer ∆rHºen utilisant ∆cHº, ton chemin indirect passe par les produits de combustion de toutes les espèces de la réaction.
Par exemple, considérons l'hydrogénation de l'éthène : $$C_2H_4(g)+H_2(g)\rightarrow C_2H_6(g) $$.
Voici à quoi ressemblent les deux cycles de Hess :
Fig. 2 - Cycles de Hess pour l'hydrogénation de l'éthène. Le cycle de gauche utilise l'enthalpie de formation tandis que le cycle de droite utilise l'enthalpie de combustion.StudySmarter Originals
Note les différences entre les deux cycles. Par exemple, fais attention au sens des flèches. Note également que nous n'avons pas besoin d'inclure l'enthalpie de formation deH2(g). En effet,H2 est élémentaire et déjà dans son état standard, donc son ∆fHºa une valeur de +0,0 kJ mol-1.
Méthode de calcul de la variation d'enthalpie
Calcule une variation d'enthalpie inconnue d'une réaction à l'aide des cycles de Hess :
- Décide si tu vas utiliser l'enthalpie de formation ou l'enthalpie de combustion pour trouver le changement d'enthalpie inconnu de la réaction.
- Construis un cycle de Hess en utilisant l'équation chimique équilibrée de la réaction. Cela implique la voie directe, qui est le changement d'enthalpie inconnu de la réaction que tu cherches à découvrir, et la voie indirecte, qui passe par les formes élémentaires ou les produits de combustion.
- En utilisant le ∆fHºou le ∆cHºdonnés dans la question ou dans un tableau de données, complète les changements d'enthalpie impliqués dans la voie indirecte.
- Utilise la voie indirecte pour calculer le changement d'enthalpie de la voie directe.
Voici une formule qui pourrait t'aider. Cependant, certaines personnes préfèrent dessiner un cycle de Hess à chaque fois qu'elles essaient une question - expérimente différentes méthodes pour trouver ce qui te convient.
En général :
$$\Delta _rH^\circ = -\Delta _fH^\circ (réactifs) + -\Delta _fH^\circ (produits)$$$.
$$\Delta _rH^\circ = \Delta _cH^\circ (réactifs) -\Delta _cH^\circ (produits)$$$
Exemple
Tu es prêt à calculer le changement d'enthalpie de la réaction - ∆rHº?
Essaie ce premier exemple. Il utilise les enthalpies standard de formation pour trouver l'enthalpie standard de réaction.
Utilise les informations suivantes pour calculer le ∆rHºde la réaction en avant pour l'équilibre donné ci-dessous :
$$CO(g)+2H_2(g)\Nrightleftharpoons CH_3OH(l)$$
Solution :
La question nous demande de calculer l'enthalpie de réaction pour un cas hypothétique de production de méthanol. Elle nous donne quelques enthalpies de formation, et nous allons les utiliser pour trouver la variation d'enthalpie inconnue.Dessinons un cycle de Hess.
La voie directe : CO etH2 en CH3OH.
La voie indirecte : CO etH2 vers leurs éléments à l'état standard, et des éléments vers CH3OH.
Remarque que ce cycle ne comporte qu'une seule mole de CO et de CH3OH. En outre, note que nous n'avons pas besoin d'inclure le ∆fHºdeH2 - il s'agit d'une espèce élémentaire dans son état standard, et a donc une enthalpie de formation de +0 kJ mol-1.
Fig. 3 : Cycle de Hess pour la production de méthanol | StudySmarter Originals
Nous pouvons maintenant compléter les variations d'enthalpie de la voie indirecte :
Fig. 4 : Cycle de Hess pour la production de méthanol avec l'enthalpie des formations pour la voie indirecte remplie | StudySmarter Originals
Maintenant, calcule la variation d'enthalpie inconnue de la voie directe en additionnant les variations d'enthalpie de la voie indirecte. C'est l'inverse de l'enthalpie de formation du CO, ajoutée à l'enthalpie de formation du CH3OH:
$$-(-110.5)+(-238.0)=-90.5\space kJ\space mol^{-1}$$.
Notre réponse finale est -127,5 kJ mol-1.
Le problème suivant utilise plutôt les enthalpies de combustion pour trouver une enthalpie de formation. Nous le résolvons en utilisant la même méthode que pour notre premier exemple de problème.
Utilise les données suivantes pour calculer l'enthalpie standard de formation du propanol (C3H7OH) :
Fig. 5 : Cycle de Hess pour la formation du propanol à l'aide de l'enthalpie de combustion, avec les changements d'enthalpie dans la voie indirecte. StudySmarter Originals
Si nous suivons la voie indirecte, nous pouvons calculer ∆rHº, le changement d'enthalpie de la voie directe :
$$(3 fois -393,5)+(4 fois -285,8)-(-2021)=-302,7\space kJ\space mol^{-1}$$.
Par conséquent, l'enthalpie de formation du propanol est de -302,7 kJ mol-1.
Calculer le changement d'enthalpie à partir des énergies de liaison
Les cycles de Hess ne doivent pas seulement consister à calculer ∆rHºà partir de ∆fHºou de ∆cHº. Nous pouvons également calculer les changements d'enthalpie inconnus en utilisant l'énergie moyenne de liaison.
L'énergiemoyenne de liaison (également appelée enthalpie moyenne de liaison) est l'énergie moyenne requise pour rompre une mole d'une liaison covalente spécifique en phase gazeuse, moyennée sur une gamme de molécules.
Une fois de plus, la voie directe de notre cycle de Hess va directement des réactifs aux produits et représente le changement d'enthalpie inconnu. Mais cette fois, la voie indirecte passe par tous les atomes gazeux non liés qui constituent les espèces de l'équation. Lorsque nous remplissons les variations d'enthalpie de la voie indirecte, nous prenons en compte l'énergie de liaison de toutes les liaisons covalentes dans les réactifs et les produits, et nous calculons la variation d'enthalpie de la voie directe en conséquence.
Prenons encore une fois l'hydrogénation de l'éthène. Voici notre cycle de Hess :
Méthode
Voici comment calculer le changement d'enthalpie en utilisant l'énergie de liaison :
- Construis un cycle de Hess en utilisant l'équation chimique équilibrée de la réaction. Cela implique la voie directe, qui est le changement d'enthalpie inconnu de la réaction que tu cherches à découvrir, et la voie indirecte, qui passe par les atomes non liés.
- En utilisant les énergies moyennes de liaison données dans la question ou dans un tableau de données, complète les changements d'enthalpie impliqués dans la voie indirecte.
- Utilise la voie indirecte pour calculer la voie directe : le changement d'enthalpie inconnu de la réaction.
Exemple
Mettons cette méthode en pratique. Essaie la question suivante et compare ta réponse à notre solution travaillée.
Calcule la variation d'enthalpie de l'hydrogénation de l'éthène, représentée ci-dessous :
$$C_2H_4(g)+H_2(g)\rightarrow C_2H_6(g)$$
Utilise le tableau de données suivant sur les énergies de liaison pour t'aider :
Solution :
Tu remarqueras qu'il s'agit de la même réaction que celle que nous avons étudiée lorsque nous avons introduit le sujet de l'énergie moyenne de liaison. Nous avons déjà dessiné un cycle de Hess - il ne nous reste plus qu'à compléter les variations d'enthalpie à l'aide du tableau de données fourni :
Fig. 7 - Cycle de Hess pour l'hydrogénation de l'éthène à l'aide de l'énergie moyenne de liaison, avec les changements d'enthalpie connus dans le cadre de la voie indirecte.StudySmarter Originals
$$(4\times 412)+614+436-(348+(6\times 412))=-122\space kJ\space mol^{-1}$$.
Notre réponse finale est -122 kJ mol-1.
Le problème suivant est légèrement différent. Ici, nous travaillons à rebours et calculons une énergie de liaison particulière en utilisant un changement d'enthalpie de réaction connu et d'autres énergies de liaison moyennes.
Calcule l'énergie de liaison moyenne de la liaison N-H, en utilisant les informations suivantes :
$$N_2(g)+3H_2(g)\rencontre 2NH_3(g)\rencontre \rencontre \rencontre Delta H^\rencontre =-91.8\rencontre kJ\rencontre mol^{-1}$$$.
Solution :
Nous commençons par dessiner un cycle de Hess. Mais au lieu d'essayer de trouver un changement d'enthalpie de réaction, nous voulons ici trouver une énergie de liaison particulière : l'énergie de liaison N-H. On nous donne le changement d'enthalpie de la réaction. On nous donne le changement d'enthalpie de réaction pour la production de NH3, et les énergies de liaison N≡N et H-H. La voie directe de notre cycle de Hess va du NH3 aux atomes N et H non liés. La voie indirecte va de NH3 à N2 etH2 (en utilisant le ∆rHº), et de N2 etH2 aux atomes non liés (en utilisant les énergies des liaisons N≡N et H-H). Voici notre cycle de Hess, avec les changements d'enthalpie connus renseignés :
Fig. 8 - Cycle de Hess pour la production d'ammoniac en utilisant l'énergie de liaison moyenne. Les variations d'enthalpie connues sont renseignées.StudySmarter Originals
Suis la voie indirecte le long de :
$$-(-91.8)+(941+3(436))=2340.8\space kJ\space mol^{-1}$$.
Cela nous donne le changement d'enthalpie pour la voie directe. Cependant, note que la voie indirecte nous indique le changement d'enthalpie lorsque six moles de liaisons N-H sont rompues. La question nous demande de trouver l'énergie de liaison de N-H, qui est le changement d'enthalpie lorsqu'une seule mole de liaisons N-H est rompue. Par conséquent, nous divisons le changement d'enthalpie de la voie directe par 6 :
$$\frac{2340.8}{6} =390.13\space kJ\space mol^{-1}$$.
Notre réponse finale est 390 kJ mol-1.
Assure-toi de donner ta réponse avec le bon nombre de chiffres significatifs. Ici, le plus petit nombre de chiffres significatifs utilisé dans la question est trois, et nous donnons donc notre réponse à trois chiffres significatifs .
Calculer la variation d'enthalpie - Principaux enseignements
- Lavariation d'enthalpie (∆H) est la quantité d'énergie thermique transférée au cours d'une réaction chimique à pression constante. Nous la mesurons généralement en kJ mol-1.
- Nous pouvons calculer le changement d'enthalpie à l'aide de la loi de Hess. Celle-ci stipule que le changement d'enthalpie d'une réaction est indépendant de la voie empruntée. Elle nous permet de calculer une variation d'enthalpie inconnue à l'aide de variations d'enthalpie connues.
- Pour calculer une variation d'enthalpie inconnue :
- Construis un cycle de Hess en utilisant l'équation chimique équilibrée de la réaction. Cela implique la voie directe, qui est le changement d'enthalpie inconnu de la réaction que tu cherches à découvrir, et la voie indirecte, qui implique des changements d'enthalpie connus.
- Utilise les données fournies dans la question pour compléter les changements d'enthalpie impliqués dans la voie indirecte.
- Utilise la voie indirecte pour calculer le changement d'enthalpie de la voie directe.
- Le calcul du changement d'enthalpie implique souvent de travailler avec l'enthalpie standard de réaction, de formation et de combustion, ainsi qu'avec l'énergie moyenne de liaison.
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