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Leçon n° 12 : ASPECTS ENERGETIQUES LIES AUX TRANSFORMATIONS DE LA MATIERE

 

Cette leçon comporte quatre paragraphes.

 

1- VARIATION DE TEMPERATURE ET TRANSFORMATIONS PHYSIQUES D'UN SYSTEME

 
1-1 Echange d'énergie thermique sans changement d'état

Exercice 1 : Une masse m = 0,500 kg d'eau à la température initiale initiale = 10,5 °C reçoit une énergie thermique E = 5000 joules de la part d'un réchaud électrique. Calculer la température finale finale de l'eau sachant que :

E = m . Ceau . (finale - fnitiale) (1)

On donne : Ceau = 4,18 J . g - 1 . °C - 1 (capacité thermique massique de l'eau).

Solution : On utilise le gramme comme unité de masse.

E = m . Ceau . (finale - fnitiale) (1)

5000 = 500 x 4,18 ( finale - 10,5)

(finale - 10,5) = 2,39 °C

finale = 12,89 °C 12,9 °C (2)

Remarque : Dans le système international on écrirait sachant que en kelvin = en degré Celsius + 273,15 . (3)

initiale = 10,5 + 273,15 = 283,65 K (3 bis)

m = 0,500 kg

Ceau = 4,18 J . g - 1 . °C - 1 = 4180 J . kg - 1 . K (4)

La relation

E = m . Ceau . (finale - fnitiale) (1) donnerait .

5000 = 0,500 x 4180 x (finale - 283,65)

( finale - 283,65) = 5000 / 2090 = 2,39 K 

finale = 286,04 K286 K (5)

Si un corps chaud A est mis en contact avec un corps froid B le corps chaud A donne de l'énergie thermique au corps B. Il y a échange thermique.

S'il n'y a pas de changement d'état (solide, liquide, gaz) le corps A se refroidit tandis que la température du corps B augmente.

 


1-2 Echange d'énergie thermique lors d'un changement d'état pour un corps pur (solide, liquide, gaz)

- Un corps pur peut exister sous 3 états physiques (solide, liquide, gazeux) selon sa température et sa pression.

- Il existe 6 changements d'états d'un corps pur comme l'indique le schéma ci-contre.

- Lors d'un changement d'état d'un corps pur à pression constante, la température reste constante.

- Fusion, vaporisation, sublimation nécessitent que le corps pur reçoivent de l'énergie (changements d'états endothermiques). L'énergie massique de ces changements d'états est positive.

- Solidification, liquéfaction, condensation sont au contraires exothermiques. Le corps pur cède de l'énergie à l'extérieur (changements d'états exothermiques. L'énergie massique de ces changements d'états est négative..

(6)

Exercice 2 : Une masse m = 0,100 kg d'eau à la température initiale initiale = 20 °C est portée à ébullition par un réchaud électrique qui lui fournit une puissance de 1500 W.

1°) Calculer l'énergie reçue par l'eau liquide pour passer de 20 °C à 100 °C.

On donne la capacité thermique massique de l'eau : Ceau = 4,18 J . g - 1 . °C - 1 = 4180 J . kg - 1 . °C - 1.  (7)

2°) Calculer l'énergie reçue par l'eau liquide à 100 °C pour se transformer en vapeur d'eau à 100 °C.

On donne l'énergie massique de changement d'état de l'eau (liquide vers vapeur) : Eébullition = 2300 J / g = 2300000 J / kg. (8)

3°) Calculer l'énergie totale reçue par l'eau liquide pour devenir vapeur.

4°) Calculer la durée de fonctionnement du réchaud.


Solution :

 1°) L'énergie reçue par l'eau liquide pour passer de 20 °C à 100 °C est :

E1 = m . Ceau (finale - initiale) = 0,100 x 4180 (100 - 20) = 33440 joules. (9)

2°) L'énergie reçue par l'eau liquide à 100 °C pour devenir vapeur (gaz) à 100 °C est :

E2 = m . Eébullition = 0,100 x 2,30 x 10 6 = 2,30 x 10 5 J. (10)

3°) Calculons l'énergie totale reçue par l'eau liquide pour devenir vapeur.

E = E1 + E2 = 33440 + 230000 = 263440 J . (11)

4°) Calculons la durée T de fonctionnement du réchaud qui fournit une puissance p = 1500 W. (On sait que la puissance P = E / T)

T = E / p = 263440 / 1500 = 175,6 s . (12)

Remarque : Pour fournir à l'eau une puissance de 1500 W, le réchaud électrique doit débiter une puissance plus grande car une partie de cette puissance calorifique chauffe autre chose que l'eau (récipient, air, etc).


1-3 Capacité thermique massique d'un corps pur et énergie massique de changement d'état d'un corps pur.

Dans les 2 exercices précédents nous avons introduit la capacité thermique massique de l'eau Ceau et l'énergie massique d'ébullition de l'eau Eébullition sous la pression atmosphérique normale.

Capacité thermique massique d'un corps pur : C

Energie massique de changement d'état d'un corps pur : DE

L'énergie E1 nécessaire pour élever la température d'une masse m d'eau est (voir exercice 1) :

E1 = m . Ceau ( finale - initiale ) . (1 bis)

Unités internationales :

Capacité thermique massique Ceau en J / (kg . K) (13)

Energie E1 en joules (J)

Masse m en kilogramme (kg)

Température q en kelvin (K)

Remarque :

Dans l'exercice 1 précédent on a d'abrd employé le gramme comme unité de masse et le °C comme unité de température.

L'énergie E2 nécessaire pour faire bouillir une masse m d'eau à 100 °C sous la pression atmosphérique normale est (voir exercice 2) :

E2 = m . Eébullition . (10 bis)

Unités internationales :

Energie massique d'ébullition Eébullition en J / kg (13 bis)

Energie E2 en joules (J)

Masse m en kilogramme (kg)

Température q en kelvin (K)

Remarque :

Dans l'exercice 2 précédent on a employé le degré Celsius comme unité de température. 

Nous allons maintenant introduire 2 familles importantes de composés organiques : les alcanes et les alcools. Nous interprèterons l'évolution des températures de changement d'état au sein de chaque famille ainsi que leurs différences en passant d'une famille à l'autre.

 

2- LES ALCANES


Définition : Un alcane est un hydrocarbure saturé donc formé avec des atomes de carbone et d'hydrogène liés par des liaisons simples. (14)


2.1 Les alcanes à chaîne carbonée linéaire.

Les atomes de carbone se trouvent les uns à la suite des autres. Il n'y a pas de ramifications.

- Formule brute.

La formule brute d'un alcane non cyclique peut s'écrie Cn H2n + 2. (15)

- Formules semi-développées planes et nomenclature.

Les quatre premiers alcanes portent des noms usuels. Les alcanes suivants portent des noms qui indiquent en préfixe le nombre d'atomes de carbone suivi de la terminaison -ane.

méthane

CH4 . (16)

éthane

CH3 - CH3 . (17)

propane

CH3 - CH2 - CH3 . (18)

butane

CH3 - CH2 - CH2 - CH3 . (19)

pentane

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3 . (20)

hexane

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3

heptane

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3

octane

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3

nonane

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3 

décane

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3 

Représentons les modèles de Lewis et de Cram des molécules de méthane et d'éthane.

(21)

Ethane : Prenons comme solide de référence le groupe méthyle du bas (modèle de Cram) et faisons tourner, par rapport à ce référentiel, le groupe méthyle du haut autour de l'axe carbone-carbone. Cette rotation est possible car elle ne demande pas beaucoup d’énergie. Les chocs dus à l’agitation thermique à la température ordinaire suffisent.


2.2 Les alcanes à chaîne carbonée ramifiée.

A partir de quatre atomes de carbone, le squelette peut compter des ramifications.

(22)

- Isomérie de constitution

Deux isomères de constitution ont la même formule brute mais des formules semi-développées planes différentes. C'est le cas du butane et du 2-méthylpropane qui ont la même formule brute C4H10 (voir le schéma ci-dessus). (23)

- Nomenclature des alcanes ramifiés

On nomme un alcane ramifié en considérant qu'il est formé d'une chaîne principale sur laquelle se fixent des groupes.

CH3 - est le groupe méthyle. (24)

CH3 - CH2 - est le groupe éthyle. (25)

CH3 - CH2 - CH2 - est le groupe propyle. (26)

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - est le groupe butyle. (27)

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - est le groupe pentyle. (28)

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - est le groupe hexyle. (29)

Etape 1 : On cherche la chaîne carbonée la plus longue. C'est elle qui donne son nom à l'alcane.

Etape 2 : En préfixe, on ajoute le nom (sans le e final) du groupe fixé sur la chaîne principale.

On repère sa position en numérotant la chaîne principale afin de donner le plus petit nombre au carbone qui porte le groupe. Ce nom est placé devant le nom du groupe.

Etape 3 : Lorsqu'il y a plusieurs groupes identiques, on place le préfixe di-, tri-, tétra- devant le nom du groupe.

Etape 4 : Lorsqu'il y a des groupes différents, on les nomme dans l'ordre alphabétique. Le plus petit nombre étant affecté au groupe placé en tête dans l'ordre alphabétique.

Exemples :

(30)


2.3 Les alcanes à chaîne cyclique.

Leur formule brute n'est plus de la forme CnH2n + 2. Voici deux molécules :

(31)


2.4 Les formules topologiques
.

Un trait représente une liaison entre deux atomes qui, sauf indication contraire, sont des atomes de carbone. Les atomes d'hydrogène ainsi que leurs liaisons avec les atomes de carbone ne sont pas représentés. Ils sont représentés, au contraire, lorsqu'ils sont liés à un atome autre que le carbone. Ils sont évidemment présents dans la molécule en nombre suffisant pour que la tétravalence du carbone, ou la valence classique des autres atomes, soit satisfaite.

(32)


2.5 Evolution des températures de changement d'état.

Lorsque la longueur de la chaîne carbonée d'un alcane augmente, les températures de changement d'état à pression donnée augmente (les interactions de Van der Walls sont plus intenses). (33)

Pour 2 alcanes de même formule brute celui qui a le plus de ramifications possède la température de changement d'état la plus faible (à pression donnée). (34)

Remarque : Bien évidemment les alcanes, formés de molécules non polaires ne sont pas solubles dans l'eau liquide, formée de molécules polaires, (35)

 

3- LES ALCOOLS


3.1 - Définition
: La molécule d'un alcool possède le groupe caractéristique hydroxyle – OH sur un atome de carbone ayant 3 autres liaisons simples avec des atomes de carbone ou d'hydrogène. (36)

(37)

3.2 - Classe d'un alcool : La classe d'un alcool est celle de l'atome de carbone relié au groupe - OH. (38)

Si cet atome de carbone relié au groupe - OH est, par ailleurs, relié à un seul C, il est primaire. L'alcool est également primaire. (39)

L'alcool peut aussi être secondaire ou tertiaire. (40)

Classe de l'alcool

R, R1, R2, R3, comportent au moins 1 atome C

Formule développée

Formule semi développée

Groupe fonctionnel

Alcool primaire

Alcool secondaire

Alcool tertiaire

 

Dans le cas du méthanol CH3OH, le carbone fonctionnel n'est relié à aucun atome C. Le méthanol est le seul alcool de classe nulle. En fait il a les mêmes propriété que les alcools primaires (41)

Exercice 3 :

Nommer et classer les alcools de formule brute C4H10O. (42)

Solution :

  (43)

Remarque : La molécule de butan-2-ol n’est pas superposable à son image dans un miroir. Elle existe sous 2 formes non superposables. On dit que c'est une molécule chirale (notion hors programme en 1° S).

(44)

On a donc 5 alcools de formule brute C4H10O. (45)

 

3.3 Températures de changement d'état

Les alcools ont des températures de changement d'état plus élevées que celles des alcanes correspondants car des liaisons hydrogènes se forment entre les molécules d'alcool. (46)

Lorsque la longueur de la chaîne carbonée d'un alcool augmente, les températures de changement d'état à pression donnée augmente (les interactions moléculaires de Van der Walls sont plus nombreuses) (47)

Pour 2 alcools de même formule brute celui qui a le plus de ramifications possède la température de changement d'état la plus faible (à pression donnée). (48)

Remarque : Les alcools à courte chaîne carbonée sont miscibles à l'eau car il se forme des liaisons hydrogènes entre les molécules d'alcool et les molécules d'eau. (49)

Les propriétés chimiques des alcools seront étudiés dans la leçon 17. Ci-dessous ne sont étudiées que les réactions de combustion des alcanes et des alcools.

 

4- REACTIONS CHIMIQUES ET ASPECTS ENERGETIQUES ASSOCIES


De nombreuses réactions chimiques libèrent de l'énergie (transformations exothermiques) ou consomment de l'énergie (transformations endothermiques). (50)


4-1 Combustion d'un alcane

Exercice 4 :

 Ecrire l'équation de combustion de l'heptane C7H16 et calculer l'énergie libérée lors de la combustion de 2,5 moles de cet alcane sachant que l'énergie de réaction est Er = - 4850 kJ / mol

Solution :

 La réaction a pour équation :

C7H16 + 11 O2 7 CO2 + 8 H2O (51)

L'énergie libérée lors de la combustion de 2,5 moles est ;

E = 2,5 x Er = 2,5 x ( - 4850) = - 12125 kJ (52)

Le signe - indique que le système étudié perd cette énergie. Il la donne à l'extérieur (réaction exothermique). (53)


4-2 Combustion d'un alcool

Exercice 5 :

On fait brûler m = 70 g d'éthanol C2H5OH.

1°) Calculer l'énergie libérée sachant que l'énergie de réaction est Er = - 1370 kJ / mol.

2°) Calculer la masse de vapeur d'eau dégagée.

On donne les masses molaires atomiques suivantes :

C : 12 g / mol O : 16 g / mol H : 1 g / mol


Solution :

1°) L'équation de la réaction s'écrit :

C2H5OH. + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O (54)

La masse molaire moléculaire de l'éthanol est :

M (C2H6O) = 12 x 2 + 1 x 6 + 16 = 46 g / mol (55)

La quantité de matière d'éthanol brûlée est :

n = m / M = 70 / 46 = 1,52 mol (56)

L'énergie libérée est :

E = 1,52 x DEr = 1,52 x ( - 1370) = - 2085 kJ (57)

Le signe - indique que le système étudié perd cette énergie. Il la donne à l'extérieur (réaction exothermique).

2°) Calculons la masse de vapeur d'eau dégagée.

A 1 mole d'éthanol correspondent 3 moles d'eau. (58)

A 1,52 mole d'éthanol correspondent 1,52 x 3 = 4,56 moles d'eau. (59)

La masse de vapeur d'eau dégagée est :

m (eau) = n (eau) x M (eau) = 4,56 x (2 + 16) = 4,56 x 18 = 82,1 g (60)

Les propriétés chimiques des alcools seront développées dans la leçon 17.

 

A VOIR :

Exercice 12-A : Connaissances du cours n° 12.

Exercices 12-B : Echange d'énergie thermique d'un corps pur sans changement d'état - Echange d'énergie thermique lors d'un changement d'état d'un corps pur (à résoudre).

Exercices 12-C : Quelques alcanes et changement d'état d'un alcane - Quelques alcools et combustion d'un alcool.

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