Diagramme d'énergie potentielle

Réaction exothermique et endothermique

Avant de nous plonger dans les diagrammes d'énergie potentielle chimique, nous devons nous rappeler la différence entre l'énergie cinétique et l'énergie potentielle . L'énergie cinétique est l'énergie produite par le mouvement, tandis que l'énergie potentielle est l'énergie disponible sous forme d'énergie stockée dans un objet, comme une molécule, en raison de la configuration de ses parties ou atomes.

Nous devons également revoir le concept de base des réactions exothermiques et endothermiques. Pour qu'une réaction se produise, la collision entre les particules de réaction doit être énergétique, et cette énergie est connue sous le nom d'énergie d'activation.

Au cours d'une réaction chimique, de la chaleur peut être libérée ou absorbée. Si de l'énergie est libérée, on parle de réaction exothermique.

Dans les réactions exothermiques, l'énergie potentielle des produits est inférieure à l'énergie potentielle des réactifs. Pour cette raison, la variation de l'enthalpie (ΔH) est négative.

Lesréactions endothermiques, en revanche, sont les réactions chimiques qui absorbent de l'énergie. Ces réactions ont un ΔH positif et l'énergie potentielle des produits a tendance à être plus élevée que celle des réactifs.

Diagramme de l'énergie potentielle étiqueté

Lorsqu'ils traitent des réactions chimiques, les chimistes utilisent des diagrammes d' énergie potentielle (ou reaction coordinatediagrams) pour montrer l'énergie potentielle dans une réaction chimique.

La figure 1 montre un exemple simple de diagramme d'énergie potentielle pour une réaction exothermique. Ici, l' axe des x correspond aux coordonnées de la réaction ou au temps, tandis que l'axe des y correspond à l'énergie potentielle.

Figure 1. Diagramme d'énergie potentielle pour une réaction exothermique, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Cependant, il arrive que nous rencontrions des réactions chimiques impliquant plus d'une étape élémentaire. Dans ce cas, nous aurons un diagramme de coordonnées de réaction à plusieurs étapes (figure 2). La figure ci-dessous montre le diagramme d'énergie potentielle pour un mécanisme de réaction à plusieurs étapes. Remarque que la première étape de cette réaction chimique est endothermique, tandis que la deuxième étape est exothermique.

Figure 2. Diagramme de coordonnées d'une réaction en plusieurs étapes, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Jetons un coup d'œil à un problème !

Diagramme d'énergie potentielle pour une réaction endothermique

Maintenant que nous savons comment un diagramme d'énergie potentielle est étiqueté, examinons le diagramme d'énergie potentielle pour une réaction endothermique, c'est-à-dire une réaction qui absorbe de l'énergie et qui, par conséquent, fait baisser la température des mélanges réactionnels dans la solution.

La figure 4 montre le diagramme d'énergie potentielle pour la réaction endothermique de décomposition de l'oxyde de magnésium (MgO). Comme on s'y attend pour une réaction endothermique, on remarque que les produits (2 Mg + _O2) possèdent plus d'énergie potentielle que les réactifs (2 MgO).

$$ \text{2 MgO + énergie} \à \text{2 Mg} \text{ + }\text{O}_{2} $$

Figure 4. Diagramme d'énergie potentielle pour une réaction endothermique, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Un autre exemple intéressant de réaction endothermique est la photosynthèse. La photosynthèse est le processus qui consiste à utiliser l'énergie de la lumière du soleil pour fabriquer de la nourriture (glucose) à partir d'eau et de dioxyde de carbone. Au cours de la photosynthèse, l'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique.

$$ \text{6 CO}_{2} \text{ + 6 H}_{2}\text{O} \à \text{C}_{6}\text{H}_{12}\text{O}_{6}\text{ + O}_{2} $$

Figure 5. Graphique de l'énergie potentielle pour la photosynthèse, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Diagramme d'énergie potentielle avec un catalyseur

La présence de catalyseurs crée une voie de réaction alternative avec une énergie d'activation plus faible (figure 6). Cette réduction de l'énergie d'activation augmente également la vitesse de la réaction de façon exponentielle.

Figure 6. Diagramme d'énergie potentielle pour une réaction chimique avec et sans la présence d'un catalyseur, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Un exemple courant de catalyseur est l'enzyme. Les enzymes sont des protéines qui agissent comme des catalyseurs dans les réactions biochimiques. Par exemple, l'anhydrase carbonique est une enzyme qui peut catalyser la synthèse de l'acide carbonique, à partir du dioxyde de carbone et de l'eau, lorsque la_{concentration de CO2} dans le corps est trop élevée. Cette régulation de la concentration de_CO2 par l'enzyme permet de maintenir l'équilibre du pH de l'organisme.

La figure 7 montre le diagramme d'énergie potentielle pour cette réaction. Remarque que, lorsque l'enzyme anhydrase carbonique est présente, moins d'énergie d'activation est nécessaire pour initier la réaction. Cependant, cela ne change pas le ΔH de la réaction car il n'est pas utilisé.

Figure 7. Diagramme d'énergie potentielle pour la réaction entre le CO2 et H2O pour former H2CO3, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Diagramme de l'énergie potentielle électrique

Enfin, parlons de l'énergie potentielle électrique. L'énergie potentielle électrique est l'énergie potentielle (énergie "stockée") que possède une charge lorsqu'elle est déplacée par une force électrostatique. Nous pouvons utiliser la formule ci-dessous pour calculer l'énergie potentielle électrique.

$$ U = k\frac{q_{1}\times q_{2}}{r} $$

Où ,

• Unis l'énergie potentielle électrique (J)
• k est la constante de Coulombs
• _q1 est la charge ponctuelle 1
• _q2 est la charge ponctuelle 2
• r est la distance entre les deux charges ponctuelles

La figure 8 représente le diagramme du potentiel électrique. L'axe des x indique la distance par rapport à la charge, et l'axe des y indique le potentiel électrique en un certain point.

Figure 8. Diagramme de l'énergie potentielle électrique, Isadora Santos, StudySmarter Originals.