Si tu es curieux de savoir ce que cela signifie, plongeons-nous dans l'énergie libre de Gibbs et la favorisation thermodynamique!
- Cet article traite des réactions thermodynamiquement favorisées.
- Tout d'abord, nous allons apprendre ce que signifie être thermodynamiquement favorable.
- Ensuite, nous parlerons des réactions thermodynamiquement favorisées.
- Ensuite, nous examinerons le tableau de la favorisation thermodynamique et nous ferons la différence entre la favorisation thermodynamique et la favorisation cinétique.
- Enfin, nous étudierons un exemple de réaction thermodynamiquement favorable.
Signification de la notion de favorabilité thermodynamique
Avant d'explorer ce qui fait que les réactions sont thermodynamiquement favorables, passons en revue les lois de la thermodynamique, l'entropie (S ) et l' enthalpie (H).
Il existe trois lois de la thermodynamique. La première loi stipule que l'univers a une énergie constante. En d'autres termes, l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transférée entre le système et son environnement.
$$\Delta E_{univers}\cup =\Delta E_{système}+\Delta E_{environnement}=0$$$
La deuxième loi de la thermodynamique nous dit qu'avec le temps, l'entropie de l'univers augmentera. Or, la troisième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie d'un cristal parfait à zéro K est de 0.
Pour continuer à apprendre sur ce sujet, consulte"Les lois de la thermodynamique" !
Entropie et enthalpie
Voyons les définitions de l'entropie et de l'enthalpie. Entropie (S) est une mesure du désordre (caractère aléatoire) d'un système. Plus cette valeur est grande, plus le caractère aléatoire d'un système est important. La variation de l'entropie est donnée par l'équation suivante.
$$\Delta S^{o}=S^{o}_{products}-S^{o}_{reactants}$$
L'enthalpie (H ) est l'énergie thermique d'une réaction. Fondamentalement, si le changement d'enthalpie (ΔH) est inférieur à zéro, alors la réaction sera exothermique. Si ΔH dépasse zéro, la réaction est considérée comme endothermique.
Lesréactions exothermiques sont des réactions qui transfèrent de l'énergie de la substance qui réagit vers l'environnement. Lors d'une réaction exothermique, la température de la solution augmente.
Dansles réactions endothermiques, l'énergie est transférée de l'environnement à la substance qui réagit, et la température de la solution diminue.
La formule du changement d'enthalpie est indiquée ci-dessous.
$$\Delta H^{o}=\Sigma n\Delta H^{o}_{produits}-\Sigma n\Delta H^{o}_{réactifs}$$$.
Définissons maintenant la favorabilité thermodynamique.
Le fait d'être thermodynamiquement favorable signifie que la réaction peut se dérouler sans aucune aide extérieure au système. Par exemple, la dissolution de NaCl dans l'eau est un processus thermodynamiquement favorable
Si un processus peut se produire sans aide extérieure une fois que l'énergie d'activation a été atteinte, on dit que ce processus estthermodynamiquement favorable.
Un processus thermodynamiquement favorisé est thermodynamiquement favorisé dans un sens, et non thermodynamiquement favorisé dans l'autre sens. Mais qu'est-ce que cela signifie ? Prenons l'exemple de l'eau. L'eau peut passer de l'état liquide à l'état solide à -10 °C, mais elle ne peut pas passer de l'état solide à l'état liquide à cette température. Ainsi, l'eau [...]
- est thermodynamiquement favorisée à -10 °C.
- est non thermodynamiquement favorisée à -10 °C.
Un processus non thermodynamiquement favorisé est considéré comme un processus qui a besoin d'une aide extérieure au système. Ces réactions peuvent être forcées à se produire si nous leur appliquons une source d'énergie externe.
Énergie libre de Gibbs
La variation standard de l'énergie libre de Gibbs est utilisée par les chimistes comme mesure de la favorabilité thermodynamique. Les équations ci-dessous peuvent être utilisées pour calculer ΔG°.
$$\Delta G^{o}_{réaction}=\Sigma [G^{o}_{f}(produits)]-\Sigma [G^{o}_{f}(réactifs)]$$$
$$\Delta G^{o}_{réaction}=\Delta H^{o}-T\Delta S^{o}$$$
Où :
- ΔG° est la variation standard de l'énergie libre de Gibbs.
- ΔG°f est l'énergie libre standard de formation.
- ΔH° est le changement d'enthalpie.
- T est la température.
- ΔS° est la variation de l'entropie.
Lorsqu'on traite de l'énergie libre de Gibbs, on peut dire qu'une réaction sera thermodynamiquement favorisée si ΔG° < 0 et qu'il n'y a pas besoin d'une source d'énergie externe.
Certains manuels pourraient utiliser les termes spontané et non spontané pour décrire les réactions thermodynamiquement favorables et thermodynamiquement défavorables. Mais attends-toi à voir favorable et défavorable dans ton examen d'AP ! Pour obtenir une explication plus approfondie de l'énergie librede Gibbs, consulte"L'énergie libre de Gibbs".
Réactions thermodynamiques favorables
Réfléchis aux réactions exothermiques et endothermiques, et choisis celle qui, selon toi, est le plus souvent thermodynamiquement favorisée. Si tu as deviné les réactions exothermiques, tu as raison !
Les réactions exothermiques sont généralement favorisées sur le plan thermodynamique parce qu'elles libèrent de l'énergie dans l'environnement. Cependant, certaines réactions endothermiques peuvent également être thermodynamiquement favorisées. Par exemple, l'évaporation est un processus endothermique qui est thermodynamiquement favorisé.
- La variation d'enthalpie (ΔH) pour une réaction endothermique est toujours positive.
$$H_{2}O_{(l)}\N-rightarrow H_{2}O_{(g)}\N- \N- \NDelta H^{o}=+40.7kJ$$.
$$C_{3}H_{8\N-(l)}{rightarrow C_{3}H_{8\N-(g)}\N- \N- \N- \N- \N- \NDelta H^{o}=+16.7kJ$$
L'augmentation de l'entropie (S) est également favorable sur le plan thermodynamique. La règle générale est que si l'entropie de l'univers (système thermodynamique plus son environnement) est positive, alors la réaction est thermodynamiquement favorisée. Si ΔSuniverse est négatif, alors la réaction n'est pas thermodynamiquement favorisée.
$$\Delta S_{univers}=\Delta S_{système}+\Delta S_{environnement}$$$
Quand l'entropie augmente-t-elle ? L'entropie augmente lorsque :
- Au cours d'une réaction, le nombre de molécules augmente.
- La température augmente.
- Un gaz est formé à partir d'un liquide ou d'un solide.
- Il y a une augmentation du volume.
- Le nombre de moles de gaz augmente à cause d'une réaction chimique.
Savais-tu que nous pouvons combiner des réactions thermodynamiquement défavorables avec des réactions thermodynamiquement favorables pour créer un processus global thermodynamiquement favorable ? C'est ce qu'on appelle le couplage, et tu peux en apprendre davantage à ce sujet dans la section"Réactions couplées" !
Tableau de favorisation thermodynamique
Pour simplifier les choses, établissons un tableau montrant la favorisation thermodynamique, en tenant compte des changements d'entropie et des changements d'enthalpie.
| Changement d'entropie | Changement d'enthalpie | Énergie libre de Gibbs | Favorisé par la thermodynamique ? |
| Négative | Négative | Dépend de la température | Seulement à basse température |
| Positif | Négatif | Négatif | Oui |
| Négatif | Positif | Positif | Non |
| Positif | Positif | En fonction de la température | Seulement à haute température |
Réactions thermodynamiquement favorables et cinétiquement favorables
Examinons la différence entre les réactions qui sont thermodynamiquement favorables et celles qui sont cinétiquement favorables.
Une réaction qui est thermodynamiquement favorable se produit généralement à des vitesses lentes et à des températures élevées dans une réaction réversible, et forme des produits stables connus sous le nom de produits thermodynamiques.
Les réactionscinétiquement favorables sont le contraire ; elles sont rapides, peuvent être effectuées à basse température et entraînent la formation de produits instables. Les produits des réactions cinétiquement favorables sont appelés produits cinétiques.
Prenons comme exemple l'addition de bromure d'hydrogène (HBr) au 1,3 butadiène. Cette réaction est couramment observée dans les cours de chimie organique, et c'est un exemple d'hydrohalogénation conjuguée, ou hydrohalogénation des diènes.
- À basse température, le principal produit formé est le produit 1,2. C'est le produit cinétique.
- À haute température, le principal produit formé est le produit 1,4. Il s'agit du produit thermodynamique, qui est plus stable que le produit cinétique.
Exemples de réactions thermodynamiquement favorisées
Pour couronner le tout, voyons un exemple impliquant une réaction thermodynamiquement favorisée. Ce premier exemple nous demande de déterminer si la réaction suivante est thermodynamiquement favorisée.
Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs importantes pour la réaction entreH2Set O2 à 298K. Utilise ce tableau pour prédire si la réaction est thermodynamiquement favorisée.
$$H_{2}S_{(g)}+2O_{2\ (g)}\rightleftharpoons H_{2}SO_{4\ (g)}$$$
| H2S | O2 | H2SO4 | |
| -20 | 0 | -814 | |
| 206 | 205 | 157 | |
| -33 | 0 | -690 |
Tout d'abord, nous devons nous assurer que tout a les mêmes unités. Remarque que l'entropie est en J, tandis que les autres sont en kJ. Ainsi, les valeurs converties pour ΔS° (kJ/K-mol) sont 0,206, 0,0205 et 0,157.
Il nous faut maintenant calculer pour la réaction à l'aide des formules suivantes :
$$\Delta S_{univers}=\Delta S_{système}+\Delta S_{environnement}$$.
$$\Delta S^{o}=[1(0.157)]-[1(0.206)+2(0.205)]=-0.459kJ/K\cdot mol$$
$$\Delta H^{o}=\Sigma n\Delta H^{o}_{produits}-\Sigma n\Delta H^{o}_{réactifs}$$$.
$$\Delta H^{o}=[1(-814)]-[1(-20)]=-749kJ/mol$$
$$\Delta G^{o}=\Sigma [G^{o}_{f}(produits)]-\Sigma [G^{o}_{f}(réactifs)]$$ $$\Delta G^{o}=\Sigma [G^{o}_{f}(réactifs)]$$
$$\Delta G^{o}=[1(-690)]-[1(-33)]=-657kJ/mol$$
Une réaction qui a une entropie négative, une enthalpie négative et une valeur d'énergie libre de Gibbs négative, est dite thermodynamiquement favorable.
Maintenant, j'espère que tu te sens plus familier avec le concept de favorabilité thermodynamique !
Favorabilité thermodynamique - Principaux points à retenir
- Si un processus peut se produire sans aide extérieure une fois que l'énergie d'activation a été atteinte, on dit que ce processus estthermodynamiquement favorisé.
- Une réaction sera thermodynamiquement favorisée si ΔG° < 0.
- Les réactions exothermiques sont généralement thermodynamiquement favorisées parce qu'elles libèrent de l'énergie dans l'environnement. Cependant, certaines réactions endothermiques peuvent également être thermodynamiquement favorisées.
Références
- Zumdahl, S. S., Zumdahl, S. A., & Decoste, D. J. (2019). Chemistry. Cengage Learning Asia Pte Ltd.
- Theodore Lawrence Brown, Eugene, H., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2018). Chimie : la science centrale (14e éd.). Pearson.
- N Saunders, Kat Day, Iain Brand, Claybourne, A., Scott, G., & Smithsonian Books (éditeur. (2020). Supersimple chemistry : the ultimate bite-size study guide. Dk Publishing.
- N Saunders, Kat Day, Iain Brand, Claybourne, A., Scott, G., & Smithsonian Books (Publisher. (2020). Supersimple chemistry : the ultimate bite-size study guide. Dk Publishing.
- Mcmahon, P. E., Rosemary Fischer Mcmahon, & Khomtchouk, B. B. (2019). Guide de survie pour la chimie générale. Crc Press.
- Nedu Llc. (2021). La chimie en toute simplicité : un guide d'étude illustré pour que les étudiants apprennent facilement la chimie. Nurseedu.com.
- Solomons, G., Fryhle, C. B., & Snyder, S. A. (2016). Organic chemistry II. John Wiley & Sons, Inc.
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