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Sauter à un chapitre clé
- Cet article traite des changements d'entropie en chimie.
- Nous commencerons pardéfinir l'entropie (S) et le changement d'entropie (∆S).
- Nous explorerons ensuite les caractéristiques des changements d'entropie, notamment la façon dont l'entropie change dans les réactions impliquant un changement d'état, un changement de température et un changement du nombre de moles de gaz.
- Nous examinerons ensuite les changements d'entropie dans les processus irréversibles (et réversibles), et nous nous pencherons en profondeur sur les changements d'entropie pour les gaz idéaux.
Changement d'entropie : définition et signification
Nous aborderons ici les concepts fondamentaux des changements d'entropie. Cependant, avant d'entrer dans une discussion sur ce que sont les changements d'entropie, nous devons d'abord définir l'entropie elle-même.
L'entropie
Que se passe-t-il lorsque tu fais fondre un solide ? Sa température augmente, grâce à un changement d'enthalpie. Mais sa structure et l'arrangement de ses molécules changent également. Les atomes du solide sont maintenus ensemble beaucoup plus étroitement que ceux du liquide, qui peuvent au contraire se déplacer librement. On peut dire que le solide est relativement ordonné, tandis que le liquide est extrêmement désordonné. C'est un exemple d'entropie.
L'entropie (S ) est une mesure du désordre dans un système thermodynamique. Elle est également définie comme le nombre de façons possibles dont les particules et leur énergie peuvent être distribuées dans un système. Elle est mesurée en J K-1 mol-1.
Ledésordre peut être une idée peu familière. D'autres mots utilisés pour décrire ce concept sont le hasard, l'incertitude et, surtout, le chaos. Voici deux exemples d'entropie pour t'aider à y voir un peu plus clair.
Reviens aux deux espèces de tout à l'heure : un solide et un liquide. Comme nous le savons, les molécules ou les particules du solide sont disposées en rangées bien ordonnées, tandis que celles du liquide se déplacent de façon aléatoire. Nous pouvons voir que le solide est beaucoup plus ordonné que le liquide. Inversement, tu pourrais dire que le liquide a plus de désordre que le solide. Ce phénomène est quantifié et décrit par l'entropie - le liquide a une plus grande entropie que le solide.
Fig. 1 - Schéma montrant la disposition des particules dans un solide et un liquide.StudySmarter Originals
Un autre contexte dans lequel l'entropie peut être visualisée est celui de certaines réactions chimiques, où le nombre de moles de chaque côté de la réaction change. S'il y a plus de molécules présentes, le désordre du système augmente, car il y a plus de façons dont les molécules peuvent être arrangées. L'entropie est donc plus importante.
Une différence essentielle entre l'entropie et d'autres constantes thermodynamiques, comme l'enthalpie, est qu'il est possible de connaître la valeur absolue de l'entropie pour un système. L'entropie absolue est simplement l'entropie d'une espèce comparée à son entropie à 0 K. En revanche, l'enthalpie absolue ne peut pas être mesurée directement. En effet, l'enthalpie fait intervenir des composants que nous ne comprenons pas encore complètement et que nous ne pouvons pas mesurer avec précision.
Entropie standard
Commençons maintenant à réfléchir à l'entropie standard en tant que concept avant de passer aux changements d'entropie. Nous pouvons définir l'entropie standard comme suit :
L'entropiestandard est l'entropie d'une substance pure dans des conditions standard de pression et de température. Habituellement, nous définissons l'entropiemolaire standard , qui est l'entropie d'une mole de substance dans des conditions standard.
Pour une introduction plus approfondie à la notion d'entropie, consulte l'article Entropie. Tu peux aussi te renseigner sur lesconditions standard de dans l'article Enthalpy Changes.
Changement d'entropie
Voyons maintenant ce qu'est le changement d'entropie.
Le changement d'entropie(∆S) est la variation du désordre (entropie) au sein d'un système à la suite d'un processus chimique ou physique. Comme l'entropie, elle est également mesurée en J K-1 mol-1.
Certains types de réactions s'accompagnent de changements d'entropie spécifiques. Prenons quelques exemples pour que tu comprennes comment l'entropie peut changer au cours d'une réaction chimique en examinant les caractéristiques du changement d'entropie. Cela t'aidera à prédire le changement d'entropie simplement en regardant une équation chimique.
Caractéristiques du changement d'entropie
Nous allons décrire ici certains phénomènes standard qui se produisent en ce qui concerne les changements d'entropie au cours de différentes réactions.
Changement d'état
Tout d'abord, pense aux réactions chimiques qui impliquent un changement d'état de la matière. Les réactionsaugmentent ou diminuent généralement l'entropie en fonction du changement d'état.
Regarde la conversion de l'eau de son état solide (un flocon de neige, par exemple) à son état liquide (une flaque d'eau fondue) :
$$H_2O(s) \rightarrow H_2O(l)$$
Dans la réaction ci-dessus, tu passes d'un solide à un liquide. Le solide a une organisation fixe de molécules qui lui donne sa forme, tandis que dans un liquide, les molécules peuvent se déplacer librement et de façon désordonnée. Dans cet exemple, l'entropie a augmenté. Si le liquide se transformait en gaz, les molécules pourraient se déplacer encore plus librement et l'entropie augmenterait encore. Tu peux jeter un coup d'œil à la figure ci-dessous pour avoir une compréhension plus visuelle de ce sujet :
Fig. 2 - Image montrant le changement d'état de la glace à l'eau. Ici, l'entropie augmente.StudySmarter Originals
Nous pouvons conclure que l'entropie des différents états de la matière augmente lorsque tu passes du solide au liquide puis au gaz. L'augmentation de l'entropie est due audésordre croissant entre les molécules des différents états:
- Lessolides ont l'entropie la plus faible parce que leurs particules sont maintenues dans un arrangement ordonné.
- Lesliquides ont généralement une entropie plus élevée parce que leurs particules peuvent se déplacer de façon plus aléatoire.
- Lesgaz ont l'entropie la plus élevée des trois, et de loin, car leurs particules sont libres de se déplacer comme bon leur semble, de façon totalement désordonnée....
Tous les changements physiques d'état sont caractérisés par des changements d'entropie positifs (une augmentation de l'entropie) ou négatifs (une diminution de l'entropie). Tu peux voir les changements d'entropie des processus physiques dans le tableau ci-dessous :
| Processus physique | Changement d'entropie |
| Fusion (d'un solide à un liquide) | Positif |
| Ébullition (du solide au gaz) | Positif |
| Congélation (du liquide au solide) | Négatif |
| Sublimation (de solide à gaz) | Positif |
| Condensation (du gaz au liquide) | Négatif |
| Dissolution | Augmentation |
| Décomposition | Augmentation |
| Cristallisation | Diminution |
En général : les réactions qui se caractérisent par la fusion, l'ébullition ou la sublimation ont généralement un changement d'entropie positif, tandis que les réactions qui se caractérisent par la congélation ou la condensation ont un changement d'entropie négatif.
Changement de température
De même, réfléchis à ce qui arrive à l'entropie d'un système si tu augmentes sa température sans changer l'état des substances qu'il contient. Le chauffage donne aux particules du système plus d'énergie cinétique. Cela signifie que dans le cas des solides, les particules vibrent plus rapidement sur place, tandis que dans le cas des liquides et des gaz, les particules se déplacent plus rapidement. Dans les deux cas, le désordre du système augmente. Ainsi, si tu augmentes la température d'un système, tu augmentes son entropie.
En général : les réactions endothermiques se caractérisent par une variation positive de l'entropie.
Changement du nombre de moles
Une autre cause de changement d'entropie est la variation du nombre de moles au cours d'une réaction chimique. Plus précisément, nous examinons le nombre de moles de gaz parce que les gaz ont une entropie nettement plus élevée que les solides et les liquides. Les systèmes qui contiennent plus de moles de gaz ont tendance à avoir une entropie plus élevée que ceux qui en contiennent moins.
Considère l'inverse du processus de Haber :
$$2NH_3(g)\circuit N_2(g)+3H_2(g)$$.
Peux-tu voir comment, dans la réaction ci-dessus, deux moles de gaz deviennent quatre ? Si tu crées plus de moles de gaz qu'au départ, il y a beaucoup plus de façons pour eux de se déplacer et d'interagir les uns avec les autres, et tu crées donc plus de désordre dans ton système. Cela signifie que l'entropie du système augmente.
En général, les réactions qui contiennent un plus grand nombre de moles de gaz dans les produits que dans les réactifs ont généralement un changement d'entropie positif.
Résumé
Le tableau suivant résume les changements d'entropie généraux qui caractérisent certains types et caractéristiques de réactions chimiques :
| Type/caractéristique de la réaction | Changement d'entropie |
| Changement d'état (fusion, évaporation ou sublimation) | Augmentation |
| Changement d'état (condensation ou congélation) | Diminution |
| Augmentation de la température | Augmentation |
| Diminution de la température | Diminution |
| Augmentation du nombre de moles de gaz | Augmentation |
| Diminution du nombre de moles de gaz | Diminution |
Voici d'autres caractéristiques des changements d'entropie.
Changement de complexité
D'autres caractéristiques des changements d'entropie reposent sur la complexité des composés. En général, plus la molécule concernée est complexe (c'est-à-dire plus elle comporte d'atomes et de groupes), plus son entropie est importante.
Par exemple,CaO a une entropie plus faible queCaCO3 parce qu'il a moins d'atomes par mole.
Changement de force
La dernière chose à regarder, ce sont les allotropes d'un même composé ou d'un même élément. Les substances plus dures ont généralement une entropie plus faible que les substances plus molles (ou moins bien agencées).
Essaie de visualiser le carbone dans le diamant et le graphite. Le graphite est beaucoup plus mou que le diamant et possède des électrons qui se déplacent librement, tandis que le diamant contient un réseau dense d'atomes de carbone. Tous ces facteurs font que le graphite a une valeur entropique supérieure à celle du diamant.
Formule de changement d'entropie
Tu devrais maintenant être capable d'observer une réaction chimique et de prédire le changement d'entropie qui a lieu au sein du système. Dans la section suivante, nous allons explorer une formule que tu peux utiliser pour calculer quantitativement ce changement d'entropie. N'oublie pas de consulter nos exemples au fur et à mesure, car tu dois bien connaître ce sujet !
Jette un coup d'œil à la formule ci-dessous :
$$\Delta S^\circ _{système} = \sum S^\circ _{produits} - \sum S^\circ _{réacteurs}$$
L'aperçu de base de la formule ci-dessus est similaire à toute réaction thermodynamique que tu rencontreras. Elle indique essentiellement que le changement global d'entropie pour une réaction est égal à l'entropie absolue totale de tous les produits, moins l'entropie absolue totale de tous les réactifs. Prenons un exemple pour voir comment utiliser cette formule.
L'équation ci-dessous montre la réaction entre l'azote et l'hydrogène pour fabriquer de l'ammoniac, ainsi que les valeurs d'entropie correspondantes de chaque espèce :
$$N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$$$.
- S°(NH3) = 192,5 J K-1 mol-1
- S°(H2) = 130,6 J K-1 mol-1
- S°(N2) = 191,5 J K-1 mol-1
Calcule le changement d'entropie de la réaction.
Eh bien, si nous regardons la formule de l'entropie globale, nous pouvons voir que le changement d'entropie est égal à l'entropie des produits moins l'entropie des réactifs :
$$\Delta S^\circ _{système} = \sum S^\circ _{produits} - \sum S^\circ _{réactifs}$$$.
Il ne nous reste plus qu'à trouver l'entropie des produits et l'entropie des réactifs en utilisant les informations de la question, et à substituer ces valeurs dans la formule :
$$\sum S^\circ _{produits}=2 \stime 192.5=385.0\space J\space K^{-1} \space mol^{-1} $$$\sum S^\circ _{produits}=2 \stime 192.5=385.0\space K^{-1} \space mol^{-1}
$$\sum S^\circ _{réactifs}= 191.5+(3 fois 130.6)=583.3\space J\space K^{-1} \space mol^{-1} $$
$$\Delta S^\circ _{system}=385.0-583.3$$$$\Delta S^\circ _{system}=385.0-583.3$$$
$$\Delta S^\circ _{system}=-198.3\space J\space K^{-1} \space mol^{-1} $$
Ainsi, la variation d'entropie globale pour la production d'ammoniac est de -198,3 J K-1 mol-1. Comme il s'agit d'une valeur négative, dans cette réaction, l'entropie diminue.
Note que cette formule t'aide à calculer le changement d'entropie d'un système. Cependant, les réactions d'un système provoquent également un changement d'entropie dans leur environnement. En combinant le changement d'entropie d'un système et le changement d'entropie de son environnement, tu obtiens le changement d'entropie total :
$$\Delta S^\circ _{environnement} = \frac{-\Delta H^\circ _{réaction}}{T} $$$.
$$\Delta S^\circ _{total}=\Delta S^\circ _{system} + \Delta S^\circ _{environnement} $$
Le changement d'entropie totale devient important lorsque nous examinons les changements d'entropie dans les réactions réversibles, ci-dessous.
Vérifie quelles formules ton jury d'examen exige que tu connaisses.
Changements d'entropie dans un processus irréversible
Avant de terminer, explorons deux autres idées impliquant des changements d'entropie. Nous commencerons par les changements d'entropie dans les processus irréversibles et réversibles.
Lorsque l'on parle d'entropie, il y a deux types de processus que l'on peut considérer : les processus réversibles et les processus irréversibles.
Une réaction réversible est une réaction dans laquelle les réactifs forment les produits tandis que les produits forment simultanément les réactifs. En d'autres termes, la réaction se produit dans les deux sens - en avant et en arrière.
Une réaction irréversible est une réaction qui n'est pas réversible, c'est-à-dire qu'elle ne favorise pas la réaction en sens inverse. En revanche, elle ne se déroule que dans un seul sens.
N'hésite pas à consulter notre article sur les réactions réversibles pour en savoir plus sur ce sujet.
Quel est le rapport entre la réversibilité et l'entropie? Il s'agit de la deuxième loi de la thermodynamique.
La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie totale ne peut pas diminuer.
Considère à nouveau les réactions réversibles et irréversibles. L'entropie est une fonction d'état, ce qui signifie que l'entropie totale d'un certain système devrait toujours être la même, quelle que soit la façon dont on arrive à ce système. Mais nous savons que pour toute réaction, qu'elle soit réversible ou irréversible, l'entropie totale ne peut pas diminuer. Cela signifie que si le fait de passer des réactifs aux produits augmente l'entropie totale, alors tu ne peux pas revenir des produits aux réactifs. Ainsi, les réactions dont la variation d'entropie totale est positive sont irréversibles : l'entropie totale augmente au cours d'une réaction irréversible. On dit que ces réactions sont spontanées.
Réactions spontanées sont des réactions qui se produisent sans intervention extérieure, comme l'apport d'énergie. Elles sontégalement appelées réactions réalisables.
Cependant, si le fait de passer des réactifs aux produits n'entraîne aucune modification de l'entropie totale globale, alors tu peux revenir des produits aux réactifs. Cela signifie que la réaction est réversible. Ainsi, les réactions réversibles ont un changement d'entropie totale de 0 J mol-1 K-1: l'entropie totale ne change pas au cours d'une réaction réversible.
Changement d'entropie pour les gaz idéaux
Enfin, tu pourrais être intéressé par les changements d'entropie des gaz idéaux. Par exemple, en quoi le changement d'entropie diffère-t-il pour les gaz idéaux par rapport aux gaz réels? Il est utile de se reporter à la définition d'un gaz idéal.
Ungaz idéal est un gaz théorique qui n'a pas de forces intermoléculaires entre ses particules.
Travailler avec des gaz idéaux est souvent beaucoup plus simple que de travailler avec des gaz réels car nous pouvons ignorer les effets des phénomènes difficiles à calculer, tels que les interactions entre les particules. En fait, le comportement des gaz idéaux peut généralement être dérivé d'une seule équation simple :
$$PV=nRT$$
Le calcul des variations d'entropie pour les gaz idéaux est beaucoup plus simple que pour les gaz réels pour cette raison précise. Par exemple, nous pouvons facilement calculer le changement d'entropie pour un gaz idéal qui se dilate d'un côté à l'autre, et qui change donc de pression, en utilisant seulement n, R, et les volumes initial et final. Tu devrais constater que l'entropie d'un gaz idéal augmente à mesure que son volume augmente.
Voici la formule. Note que le volume initial est donné par Vi et le volume final par Vf:
$$\Delta S = nR \ln \frac{V_f}{V_i}$$.
En outre, les gaz idéaux ont toujours uneentropie absolue plus importante que les gaz réels, en raison de l'absence d'interactions entre les particules.
Consulte notre article sur la loi des gaz idéaux pour en savoir plus sur les gaz idéaux.
Maintenant que tu comprends les différents aspects des changements d'entropie, tu devrais être prêt à t'attaquer aux calculs d'entropie de la vie réelle, ainsi qu'à prédire le changement d'entropie qui a lieu dans différentes situations et processus.
Changements d'entropie - Principaux points à retenir
- L'entropie (S ) est une mesure du désordre et du chaos dans un système.
- Lechangement d'entropie (∆S) est la variation du désordre (entropie) au sein d'un système à la suite d'une réaction chimique ou physique.
- L'entropie et le changement d'entropie ont tous deux pour unité J K-1 mol-1.
- Les principales caractéristiques du changement d'entropie sont les suivantes :
- L'entropieaugmente avec la fusion, l'évaporation et la sublimation.
- L'entropiediminue avec la condensation et la congélation.
- L'entropieaugmente avec l'augmentation de latempérature.
- L'entropie augmente avec l'augmentation du nombre de moles de gaz.
- Le changement d'entropie d'un système est donné par la formule suivante : \(\Delta S^\circ _{système} = \sum S^\circ _{produits}) - \sum S^\circ _{réactifs}\)
- Lechangement d'entropie total est donné par l'équation \(\Delta S^\circ _{total}=\Delta S^\circ _{system}) + \Delta S^\circ _{environnement} \)
- L'entropie totale augmente dans les réactions irréversibles et pendant l'expansion des gaz idéaux.
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