Thermochimie | Chimie générale 2

Thermochimie: étude du changement d'énergie associé aux réactions chimiques

Système: objet étudié (= mélange réactionnel en thermochimie)
Environs: tout le reste
Les environs peuvent échanger de l'énergie et de la matière si le système est ouvert ou uniquement de l'énergie si le système est fermé. Il n'y a pas d'échange avec un système isolé

Processus: chemin d'un système d'un état initial à un état final
L'état final est généralement un équilibre ⇒ toutes les propriétés du système ne changent pas avec le temps

Isobare = pression constante
Isochore = volume constant
Processus isotherme = température constante
Adiabatique = pas de transfert de matière ou de chaleur du système vers son environnement

Chaleur q (en J): 

Transfert d'énergie basé sur une différence de température (de la région de haute température à la région de basse température)
q < 0: la réaction libère de l'énergie sous forme de chaleur ⇒ processus exothermique
q > 0: la réaction absorbe de l'énergie sous forme de chaleur ⇒ processus endothermique

Travail w (en J):

Force x distance
w < 0: le travail est effectué par le système ⇒ expansion
w > 0: le travail est effectué sur le système ⇒ compression

Les gaz peuvent effectuer un travail:

Énergie interne U (en J):

Somme des énergies cinétique et potentielle des particules d'un système:
U_syst = E_k + E_p

Changement d'énergie d'un système: ΔU = U_f - U_i
ΔU < 0: l'énergie s'écoule du système vers l'environnement
ΔU > 0: l'énergie s'écoule de l'environnement vers le système

Première loi de la thermodynamique:

L'énergie de l'univers est constante ⇒ l'énergie ne peut ni être créée ni détruite

ΔU_univ = ΔU_syst + ΔU_surr = 0
⇒ ΔU_syst = - ΔU_surr = q + w

Enthalpie H (en J):

Énergie transférée entre un système et l'environnement dans des conditions isobares
H_sys = U_sys + PV

H est une fonction d'état:
ΔH_rxn = H_prod – H_react 

La variation d'enthalpie pour une réaction est:
ΔH_rxn = ΔU_rxn + Δ(PV)_rxn 
ΔH_rxn = ΔU_rxn + PΔV_rxn     (P = cst, conditions isobares)

ΔH < 0 ⇒ processus exothermique
ΔH > 0 ⇒ processus endothermique

Loi de Hess :

Les variations d'enthalpie pour les équations chimiques sont additives

Conséquences :

• réaction en 2 étapes (ou plus) : ΔH_rxn = ΔH_rxn (étape 1) + ΔH_rxn (étape 2)
• équation chimique inverse : ΔH_rxn = ΔH_rxn (direct) + ΔH_rxn (inverse) = 0

⇒ ΔH_rxn (inverse) = - ΔH_rxn (direct)

• multiplication d'une équation chimique A par un facteur n : ΔH_rxn = n x ΔH_rxn (A)

ΔH_sublimation = ΔH_fusion + ΔH_vaporization

États standard : réactifs et produits dans leurs formes pures à T = 298 K et P = 1 bar
(ou à une concentration de 1 mol.L^-1 pour une solution liquide)

Réaction standard enthalpie ΔH⁰_rxn (en J) :

Changement d'enthalpie lorsque les réactifs dans leurs états standard passent aux produits dans leurs états standard

Enthalpie standard de formation ΔH⁰_f (en J) : 

Réaction standard enthalpie pour la formation du composé à partir de ses éléments dans leurs états standard. L'enthalpie standard de formation de la forme la plus stable d'un élément est 0
 

ΔH⁰_f de H₂ (g) = 0 J
ΔH⁰_f de O₂ (g) = 0 J
ΔH⁰_f de C (graphite) = 0 J

ΔH⁰_rxn = Σ n ΔH⁰_f (produits) - Σ n ΔH⁰_f (réactifs)
avec n = coefficients stœchiométriques dans la réaction
 

ΔH⁰_rxn de la combustion du propane :
C₃H₈ (g) + 5 O₂ (g) → 3 CO₂ (g) + 4 H₂O (l)
ΔH⁰_rxn = 3 ΔH⁰_f (CO₂) + 4 ΔH⁰_f (H₂O) - ΔH⁰_f (C₃H₈) - 5 ΔH⁰_f (O₂)

Enthalpie de liaison ΔH_bond (en J) :

Énergie associée à la force d'une liaison chimique
ΔH_bond > 0 car de la chaleur doit être fournie pour rompre une liaison

ΔH_rxn = Σ H_{bond brisée} - Σ H_{bond formée} = Σ H_bond (réactifs) - Σ H_bond (produits)

Quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de l'échantillon d'un degré
À pression constante:

Capacité calorifique molaire C_P (en J.K^-1.mol^-1):

Quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'une mole d'un échantillon d'un degré

Capacité calorifique spécifique c_S (en J.K^-1.g^-1):

Quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'un gramme d'un échantillon d'un degré