Énergétique

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

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 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

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.

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.

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.

1. Nous dessinons les réactifs et les produits à différents niveaux qui correspondent à leur énergie.
2. Nous utilisons des flèches pour montrer les processus de rupture et de création de liaisons.
3. Lorsque les liaisons se rompent, de l'énergie est absorbée. Nous le montrons en dessinant une flèche vers le haut.
4. Lorsque des liaisons sont créées, de l'énergie est libérée. Nous le montrons en dessinant une flèche vers le bas.

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.

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.

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

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 ?

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).

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

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.

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.