Pour que de nouvelles molécules se forment, des liaisons doivent être rompues et des liaisons doivent être formées. On peut les classer en processus exothermiques et endothermiques. Mais quelle est la quantité d'énergie nécessaire pour cela ? C'est ce que nous allons explorer aujourd'hui.
Fig. 1 : Liaisons hydrogène dans l'eau. https://commons.wikimedia.org
- Nous allons étudier ce qu'est la formation ou l'établissement d'une liaison.
- Ce qu'est la rupture d'une liaison.
- Comment calculer l'énergie de liaison.
- Les unités d'énergie de liaison.
- Enfin, nous étudierons quelques exemples de calculs d'énergie de liaison.
Ce sujet est obligatoire pour les élèves du niveau supérieur.
Créer et rompre des liaisons
Lors d'une réaction, la première chose à faire est de briser les liaisons. Pour cela, il faut de l'énergie, qui est donc absorbée par l'environnement. C'est un exemple de réaction endothermique. Une fois que les réactifs se sont décomposés, nous passons à la formation de liaisons, par laquelle les molécules nouvellement divisées forment des liaisons avec de nouvelles molécules. Cependant, cette réaction libère de l'énergie dans l'environnement. C'est un exemple de réaction exothermique. Pendant cette période, la température peut augmenter si l'énergie de formation des liaisons est plus élevée que l'énergie de rupture des liaisons.
Réaction exothermique : Une réaction où l'énergie est transférée de la réaction à l'environnement.
Réaction endothermique : Une réaction où l'énergie est absorbée de l'environnement vers la réaction.
Bien qu'elle soit décrite comme deux étapes d'une réaction, nous devons noter que dans une réaction, la formation d'une liaison peut ne pas se produire directement après la rupture d'une liaison. Au contraire, elles peuvent se produire en même temps. Néanmoins, nous pouvons utiliser l'énergie totale de rupture des liaisons et l'énergie totale de formation des liaisons pour étudier les changements d'énergie et classer ensuite une réaction comme exothermique ou endothermique.
La rupture des liaisons absorbe de l'énergie et la formation des liaisons libère de l'énergie.
Au début de cet article, nous avons étudié l'eau. Si nous approfondissons la question, nous pouvons constater que pour que l'eau se forme, l'hydrogène (H2) et l'oxygène (O2) doivent être décomposés. La séparation de l'hydrogène et de l'oxygène est considérée comme une rupture de liaison. Le processus peut ensuite passer à la formation de liaisons, où deux atomes d'hydrogène se lient à un seul atome d'oxygène, produisant ainsi de l'eau.
Fig. 2 : Incendie de Woolsey, https://commons.wikimedia.org
Nous pouvons également étudier la rupture et la formation de liaisons lorsque nous explorons la combustion. Dans ce type de réaction, des liaisons sont rompues entre les hydrocarbures et des liaisons sont rompues entre les molécules d'oxygène. Ces deux phénomènes sont considérés comme des ruptures de liaisons. Elles absorbent de l'énergie et sont donc endothermiques. Pour obtenir les produits finaux de la combustion, le dioxyde de carbone et l'eau, des liaisons doivent se former entre le carbone et l'oxygène, ainsi qu'entre l'hydrogène et l'oxygène. C'est ce qu'on appelle la formation de liaisons, qui libère de l'énergie et est donc exothermique.
Équation de l'énergie de liaison
L'une des principales choses que nous devons être capables de calculer est le changement d'énergie global d'une réaction. Pour le déterminer, nous devons connaître les différentes énergies de liaison.
Énergie de liaison : L'énergie nécessaire pour rompre la liaison entre deux atomes. Elle est mesurée en kJ/mol.
Pour calculer le changement d'énergie, nous avons besoin de deux choses :
- L'énergie nécessaire pour briser les liaisons des réactifs.
- L'énergie libérée lorsque les liaisons sont formées pour produire des produits.
Ensemble, nous pouvons former cette équation pour calculer le changement d'énergie global :
Changement d'énergie = énergie de liaison totale du réactif - énergie de liaison totale des produits
Unités d'énergie de liaison
L'énergie est généralement mesurée en joules (J). Mais il arrive que le nombre soit très élevé et qu'il puisse être divisé par 1000 pour obtenir l'équivalent en kilojoules (kJ). Nous utilisons les kilo-joules lorsque nous explorons les unités d'énergie de liaison. En outre, nous utilisons l'énergie de liaison par mole. Par conséquent, les unités totales d'énergie de liaison sont les kilo-joules par mole, ce qui peut s'écrire comme suit : kJ/mol.
L'énergie de liaison d'une liaison H-H est de 440 000 joules. Pour faciliter l'utilisation de cette valeur pour calculer l'énergie de liaison, nous pouvons la diviser pour obtenir des kilo-joules.
440 000 J : 1000 = 440kJ
Cela signifie que 440 000 J est égal à 440kJ.
Problèmes pratiques sur l'énergie de liaison avec les réponses
Maintenant que nous avons exploré la façon de calculer la variation d'énergie, passons en revue quelques exemples. Nous allons explorer chaque problème étape par étape et utiliser l'énergie de liaison moyenne ci-dessous. Remarque que ces énergies de liaison ne sont pas exactes.
| Énergies de liaison moyennes de diverses liaisons en kJ | |
|---|---|
| Liaison | Énergie de liaison (kJ/mol) |
| H-H | 440 |
| F-F | 160 |
| H-F | 570 |
| C-H | 420 |
| O=O | 500 |
| C=O | 750 |
| H-O | 470 |
| N≡N | 940 |
| N-H | 400 |
Pour cet exemple, utilisons le procédé Haber, où l'azote et l'hydrogène réagissent pour former de l'ammoniac. Cette réaction peut se faire en avant et en arrière, mais nous calculerons la réaction en avant.
Équation chimique :
$$N_{2(g)} + 3H_{2 (g)}\rightleftharpoons 2NH_{3(g)}$$.
1. Il faut d'abord calculer l'énergie de liaison entre les réactifs. Pour cette réaction, il s'agit d'une mole d'azote vers l'azote (liaison triple) et de trois moles d'hydrogène vers l'hydrogène (liaison simple).
1 mol - N≡N(940 kJ/mol) = 940 kJ
3 mol - H-H (440 kJ/mol) = 1600 kJ
L'énergie totale de rupture de la liaison est donc : 940 kJ + 1320 kJ = 2260 kJ.
2. Nous devons maintenant calculer l'énergie de liaison entre les produits. Pour cette réaction, il s'agit de deux moles de liaisons simples entre l'azote et l'hydrogène. Pour cette liaison, chaque azote est lié à trois hydrogènes, ce qui fait 6 liaisons.
6 mol x N-H (400 kJ/mol) = 2400 kJ
3. Enfin, nous allons calculer le changement d'énergie.
Variation d'énergie = 2260 kJ - 2400 kJ = -140 kJ/mol par réaction
Variation d'énergie globale = -140 kJ/mol
Pour notre deuxième exemple, nous allons explorer la réaction entre l'hydrogène et le fluor.
Équation chimique : H2(g) +F2(g) → 2HF(g)
1. Nous devons d'abord calculer l'énergie de liaison entre les réactifs, donc pour cette réaction, il s'agit d'une mole d'hydrogène à l'hydrogène dans une liaison simple et d'une mole de fluor au fluor également dans une liaison simple.
1 mole - H-H (440 kJ/mol) = 440 kJ
1 mole - F-F (160 kJ/mol) = 160 kJ
L'énergie totale de rupture de la liaison est donc de : 440 kJ + 160 kJ = 600 kJ.
2. Nous devons maintenant calculer l'énergie de liaison entre les produits. Pour cette réaction, il s'agit de deux moles d'hydrogène vers le fluor en une seule liaison.
2 mol - H-F (570 kJ/mol) = 1140 kJ
L'énergie totale de rupture de la liaison est donc de 1140 kJ.
3. Enfin, nous allons calculer le changement d'énergie.
Variation d'énergie = 600 - 1140 = -540 kJ pour chaque réaction
Variation globale de l'énergie = -540 kJ pour chaque réaction
Pour notre dernier exemple, explorons la réaction entre l'oxygène et le méthane.
Équation chimique : CH4(g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2O
1. Il faut d'abord calculer l'énergie de liaison entre les réactifs, donc pour cette réaction, il s'agit de 4 liaisons simples entre le carbone et l'hydrogène et de 2 moles d'oxygène à double liaison.
4 mol x C-H (420 kJ/mol) = 1680 kJ
2 moles x O=O (500 kJ/mol) = 1000 kJ
L'énergie totale de rupture de la liaison est donc de : 1680 + 1000 = 2680 kJ
2. Nous devons maintenant calculer l'énergie de liaison entre les produits. Pour cette réaction, il s'agit de deux moles d'eau et d'une mole de dioxyde de carbone.
4 mol - H-O (470 kJ/mol) = 1880 kJ
2 mol - C=O (800 kJ/mol) = 1600 kJ
L'énergie totale de rupture de la liaison est donc de : 1880 + 1600 = 3480 kJ
3. Enfin, nous allons calculer le changement d'énergie.
Variation d'énergie = 2680 - 3480 = -800 kJ
Variation totale de l'énergie = -800 kJ
Les chiffres de ces exemples servent uniquement à montrer comment calculer les variations d'énergie.
Profils de réaction
Les profils de réaction sont un autre moyen d'explorer les réactions exothermiques et endothermiques.
Fig. 3 : Réaction exothermique, https://commons.wikimedia.org
Voici un exemple de profil de réaction exothermique. L'énergie des produits (C) est inférieure à celle des réactifs (A+B). C'est le contraire pour les profils de réaction endothermique, où l'énergie des produits est supérieure à celle des réactifs. Tu peux approfondir cette question dans un autre article.
Calculs de l'énergie de liaison - Principaux enseignements
- Dans une réaction, les liaisons doivent être rompues et les liaisons doivent être formées.
- La formation de liaisons est un exemple de réaction endothermique.
- La rupture des liaisons est un exemple de réaction exothermique.
- Pour calculer l'énergie, nous avons besoin des énergies de liaison moyennes des réactifs et des produits.
- Variation d'énergie = énergie de liaison totale du réactif - énergie de liaison totale des produits.
- Les unités d'énergie de liaison sont les kilo-joules par mole, ce qui peut s'écrire comme suit : kJ/mol.
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