Thermodynamique chimique

Définition de la thermodynamique chimique

Décomposons un peu cette définition.

L'énergie

Pour comprendre la thermodynamique, nous devons parler d'énergie. Qu'est-ce que l'énergie ? Les scientifiques ont du mal à la définir. Voici une définition simple :

En chimie, on parle detravail (w ou W) lorsqu'une force agit sur quelque chose pour le faire bouger. Donc s'il n'y a pas de mouvement, il n'y a pas de travail. La chaleur (q ou Q) désigne le transfert d'énergie par le biais d'interactions thermiques telles que lerayonnement ou la conduction.

Tout ce qui existe dans l'univers est fait d'énergie. Cela signifie que tout a le potentiel d'effectuer un travail ou de transférer de la chaleur. L'énergie est stockée sous deux types fondamentaux, qui peuvent être convertis de l'un à l'autre :

• L'énergie cinétique est l'énergie qu'un objet possède en raison de son mouvement.
• L'énergiepotentielle est l'énergie qu'un objet possède grâce à sa position relative, soit par rapport à différentes parties de lui-même, soit par rapport à d'autres objets.

Toutes les formes d'énergie relèvent de ces deux types fondamentaux. Par exemple, l'énergie thermique est une forme d'énergie cinétique. Cependant, comme toute énergie, elle peut être convertie en d'autres formes, telles que l'énergie chimique ou l'énergie électrique.

Les systèmes

Nous devons également prendre en compte les systèmes. En thermodynamique, nous séparons l'univers en deux parties, afin de simplifier nos calculs :

• Un système est une substance ou un ensemble de substances et d'énergie. Les systèmes peuvent être ouverts, fermés, ou isolés, ce qui détermine s'ils peuvent échanger de l'énergie ou de la matière entre eux.
• L' environnement est tout simplement tout ce qui n'est pas dans le système.

Par exemple, si une réaction a lieu dans un bocal, le bocal est le système. Tout ce qui se trouve à l'extérieur du bocal constitue l'environnement.

Un système et son environnement. Originaux de StudySmarter

En résumé, la thermodynamique est l'étude de la façon dont l' énergie thermique est convertie en d'autres types d'énergie à l'intérieur d'environnements spécifiques appelés systèmes. En thermodynamique chimique, nous nous concentrons spécifiquement sur la façon dont l'énergie thermique se transforme en énergie chimique, et comment cela affecte les réactions chimiques ou les changements d'état.

Lois de la thermodynamique chimique

La thermodynamique chimique repose sur les quatre lois de la thermodynamique. Ces quatre principes de base, découverts par des scientifiques comme Isaac Newton et James Joule, nous aident à comprendre comment l'énergie se déplace et ils régissent l'étude de la thermodynamique. Dans cet article, nous examinerons la première et la deuxième loi.

Première loi de la thermodynamique

Précédemment, tu as appris la loi de la conservation de l'énergie. Cette loi stipule ce qui suit :

"L'énergie ne peut être ni créée ni détruite, elle ne fait que passer d'une forme à une autre".

La première loi de la thermodynamique est basée sur la conservation de l'énergie. Cependant, nous ajoutons une phrase supplémentaire :

"La quantité totale d'énergie dans l'univers est constante."

Nous appelons enthalpie la quantité totale d'énergie dans un système particulier.

L'énergie peut passer d'une forme à une autre au sein d'un système. Elle peut également être transférée du système à son environnement. Cependant, la quantité totale d'énergie dans l'univers entier reste toujours la même.

Deuxième loi de la thermodynamique

La première loi de la thermodynamique nous dit que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, et explique de nombreux processus quotidiens, comme la façon dont un courant électrique alimente une ampoule ou dont le glucose nous donne de l'énergie pour nous déplacer. Mais bien que l'énergie puisse être utilisée encore et encore, elle n'est pas toujours utilisée de manière efficace. En fait, une grande partie de l'énergie est gaspillée. Cela permet d'expliquer certains des phénomènes les plus aléatoires que nous observons dans l'univers qui nous entoure et constitue la base de la deuxième loi de la thermodynamique :

"Toute l'énergie thermique n'est pas convertie en énergie utile".

Mais où va cette énergie ? Elle contribue à ce que l'on appelle l'entropie.

Cela nous amène à la partie suivante de la deuxième loi de la thermodynamique :

"Dans les changements spontanés, l'univers tend vers un état de plus grande entropie."

-Deuxième loi de la thermodynamique

La deuxième loi nous dit que l'énergie dans les systèmes naturels tend à se déplacer dans le sens d'une augmentation de l'entropie - ou en d'autres termes, d'un plus grand désordre. Elle explique pourquoi l'énergie se déplace dans une direction et pas dans l'autre. Parmi les exemples d'entropie croissante, on peut citer la dissolution de solides ou le mélange de gaz.

Applications de la thermodynamique chimique

Nous avons découvert deux des lois de la thermodynamique. Voyons maintenant comment elles s'appliquent aux processus chimiques du monde réel.

Réactions spontanées

Nous pouvons combiner les principes explorés dans les deux premières lois de la thermodynamique, l'enthalpie et l'entropie, pour prédire si les réactions sont spontanées ou non.

Parmi les exemples de réactions spontanées, on peut citer la dissolution des sels, la rouille du fer ou la fonte de la glace.

La rouille du fer - un exemple de réaction spontanée. Crédits d'image : Wikimedia commons, Domaine public

Nous utilisons une quantité appelée énergie libre de Gibbs (ΔG) pour déterminer si une réaction est spontanée ou non. Elle relie l'enthalpie et l'entropie à l'aide de l'équation suivante :

ΔG = ΔH - TΔS

Note ce qui suit :

• ΔG est la variation de l'énergie libre de Gibbs, mesurée en kJ ^mol-1.
• ΔH est le changement d'enthalpie, mesuré en kJ ^mol-1.
• T est la température, mesurée en K.
• ΔS est le changement d'entropie, mesuré en kJ ^{K-1 mol-1}.

Si ΔG est négatif, alors la réaction est spontanée. De cette équation, on peut déduire que les réactions fortement exothermiques, ou les réactions avec une forte augmentation de l'entropie, ont tendance à être spontanées.

Cycles de Born-Haber

Tu as peut-être déjà découvert la loi de Hess plus tôt dans ton parcours de chimiste.

Tant que tu commences avec les mêmes réactifs et que tu termines avec les mêmes produits, le changement d'enthalpie est le même. Peu importe que tu le fasses en une étape, en deux étapes ou en quinze étapes.

Le cycle de Hess. StudySmarter Original

Nous exprimons la loi de Hess par l'équation suivante :

_ΔHr = _ΔH1 + _ΔH2

Dans cette équation :

• _ΔHr est le changement d'enthalpie de la réaction de la voie directe.
• _ΔH1 et _ΔH2 sont les changements d'enthalpie impliqués dans la voie indirecte.

Une excellente application de la loi de Hess est le calcul de l'enthalpie du réseau.

Le principe est le même que celui utilisé dans les cycles de la loi de Hess : Si nous créons une voie indirecte vers les ions gazeux, nous pouvons utiliser l'équation de la loi de Hess pour trouver l'enthalpie du treillis. Par exemple, il se peut que nous ne connaissions pas la voie directe pour l'enthalpie du treillis. Cependant, nous pouvons la calculer en utilisant une méthode indirecte qui inclut les changements d'enthalpie que nous connaissons. Voici un aperçu du fonctionnement des cycles :

• Nous prenons une réaction dont nous voulons trouver le changement d'enthalpie et nous créons une route indirecte qui commence par les mêmes réactifs et se termine par les mêmes produits. Dans ce cas, nous voulons trouver l'enthalpie de la formation du réseau.

• Nous représentons chaque point de la route directe et indirecte par une ligne indiquant son enthalpie.

• La différence de hauteur entre les lignes représente le changement d'enthalpie entre ces points.

• Nous écrivons les changements d'enthalpie connus de la route indirecte et nous les utilisons pour calculer le changement d'enthalpie inconnu de la route directe.

Voici un exemple. Ne t'inquiète pas si cela te semble un peu confus - nous examinerons chaque terme plus en détail dans les cycles de Born Haber. Tu pourras également t'entraîner à utiliser les cycles de Born-Haber dans les calculs des cycles de Born-Haber.

Cycle de Born-Haber pour l'enthalpie de réseau du fluorure de lithium, LiF. Originaux de StudySmarter

Importance de la thermodynamique chimique

Nous allons maintenant voir l'importance de la thermodynamique chimique. Voici quelques-uns de ses avantages :

• C'est un domaine scientifique essentiel car il explique comment et pourquoi de nombreuses réactions quotidiennes ont lieu.
• Elle nous permet de calculer les changements d'enthalpie inconnus et de prédire si une réaction se produira ou non.
• La thermodynamique nous permet également d'optimiser les processus chimiques et d'améliorer l'efficacité des transferts d'énergie. Par exemple, elle peut nous aider à économiser sur nos factures d'énergie et à réduire les coûts des réactions industrielles.
• La thermodynamique explique pourquoi les réactions atteignent l'équilibre chimique.

Limites de la thermodynamique chimique

Enfin, nous examinerons certaines des limites de la thermodynamique chimique:

• Elle ne nous dit rien sur la vitesse d'une réaction ou sur le temps qu'il faut pour que la réaction soit complète.
• Elle traite des systèmes dans leur ensemble et ne nous donne aucune information sur les particules individuelles qui les composent.

C'est la fin de cet article. Tu devrais maintenant comprendre ce que nous entendons par le terme thermodynamique chimique et comment l'enthalpie et l'entropie sont liées à ses deux premières lois. Tu devrais également connaître certaines des applications de la thermodynamique, comme le calcul des changements d'enthalpie et la prédiction de la faisabilité des réactions, et savoir pourquoi la thermodynamique est un domaine scientifique utile. Enfin, tu devrais être en mesure de comprendre pourquoi la thermodynamique a ses limites.