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Enthalpie, calorimétrie et loi de Hess

L'enthalpie est H = U + pV. À pression constante, la chaleur reçue ou cédée est égale à ΔH ; à volume constant, elle est égale à ΔU. On mesure ΔU dans une bombe calorimétrique fermée et ΔH dans un calorimètre ouvert (un simple gobelet), avec q = C ΔT ou q = m c ΔT. Pour les gaz, ΔH = ΔU + Δn_g RT. L'enthalpie de réaction ΔrH est négative si la réaction est exothermique et positive si elle est endothermique, et ΔrH° = ΣΔfH°(produits) − ΣΔfH°(réactifs). Loi de Hess : la variation d'enthalpie totale est la même, que la réaction se fasse en une seule étape ou en plusieurs ; on peut donc additionner les équations thermochimiques comme en algèbre.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Cette cuve en acier est fermée : son volume ne peut pas changer. On y brûle un peu de carbone. La chaleur réchauffe l'eau et le thermomètre monte. À volume fixe, la chaleur mesure ΔU.
  2. Ce gobelet est ouvert à l'air, donc la pression reste la même. On mélange un acide et une base. L'eau se réchauffe. À pression fixe, la chaleur mesure ΔH.
  3. Comptons maintenant les molécules de gaz. Quatre molécules de gaz deviennent deux. Moins de molécules de gaz, c'est l'air qui fournit un travail au système. Donc ΔH et ΔU diffèrent de Δn_g RT.
  4. Dessinons les niveaux d'énergie. Si les produits sont plus bas, de la chaleur sort : réaction exothermique, ΔH est négatif. S'ils sont plus hauts, de la chaleur entre : réaction endothermique, ΔH est positif.
  5. On passe du carbone au dioxyde de carbone en un seul saut, ou en deux petits sauts en passant par CO. La baisse totale est la même : −393.5 kJ. C'est la loi de Hess.
  6. À toi de jouer. Change la masse d'eau et l'élévation de température. Regarde comment q = mcΔT et ΔH changent.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Pourquoi la bombe doit-elle être en acier épais ?

Le volume ne doit pas changer, même quand les gaz chauds poussent vers l'extérieur pendant la combustion. Un récipient solide et fermé garde V fixe, donc la chaleur est égale à ΔU.

Pourquoi un gobelet ouvert donne-t-il ΔH et pas ΔU ?

Le gobelet est ouvert à l'air, donc la pression reste à 1 atm. À pression constante, la chaleur est ΔH par définition.

Pourquoi seules les molécules de gaz comptent-elles dans Δn_g ?

Le terme p–V vient de la variation de volume. Les gaz occupent de grands volumes ; les solides et les liquides prennent presque aucune place en plus. Regarde les 4 molécules de gaz devenir 2.

Comment savoir si ΔH est négatif ou positif ?

Regarde le diagramme d'énergie. Si les produits sont plus bas que les réactifs, de l'énergie a été libérée : ΔH < 0 (exothermique).

Pourquoi peut-on additionner les valeurs de ΔH comme des nombres ?

H est une fonction d'état. Les deux chemins partent de C + O₂ et arrivent à CO₂, donc leurs totaux doivent être égaux : −110.5 + (−283.0) = −393.5.

Que signifie un ΔT négatif dans le gobelet ?

La solution s'est refroidie, donc elle a fourni de la chaleur à la réaction : la réaction est endothermique et ΔH est positif. Mets ΔT en dessous de zéro dans le jeu libre.

L'enthalpie et sa variation

La plupart des réactions, au labo comme à la cuisine, se font dans des récipients ouverts, à pression constante (celle de l'air). Pour ces cas, on utilise une nouvelle fonction d'état, l'enthalpie : H = U + pV.

À pression constante, le premier principe donne q_p = ΔU + pΔV = ΔH. Donc ΔH est tout simplement la chaleur reçue ou cédée à pression constante. À volume constant, ΔV = 0 et q_V = ΔU.

Lien entre ΔH et ΔU

Les solides et les liquides changent à peine de volume, donc pour eux ΔH ≈ ΔU. Pour les gaz, pV = nRT, donc ΔH = ΔU + Δn_g RT, où Δn_g = moles de produits gazeux − moles de réactifs gazeux. Utilise R = 8.314 × 10⁻³ kJ K⁻¹ mol⁻¹ quand ΔU est en kJ.

Grandeurs extensives et intensives

Capacité thermique

La capacité thermique C est la chaleur nécessaire pour élever la température de 1 K : q = C ΔT. La capacité thermique massique c est donnée par gramme (eau : 4.18 J g⁻¹ K⁻¹), donc q = m c ΔT. La capacité thermique molaire est donnée par mole. Pour un gaz parfait, C_p − C_v = R, car à pression constante une partie de la chaleur sert au travail de dilatation.

Calorimétrie : mesurer ΔU et ΔH

La calorimétrie consiste à mesurer la chaleur. La réaction se fait dans (ou près de) une masse d'eau connue, et on lit la variation de température.

ΔU avec une bombe calorimétrique (volume constant)

Un récipient d'acier solide et fermé (la « bombe ») contient l'échantillon et de l'oxygène sous pression. Il est plongé dans l'eau. Une étincelle électrique déclenche la combustion. Le volume ne peut pas changer, donc aucun travail p–V n'est fourni et q_V = ΔU. Chaleur dégagée = C_calorimètre × ΔT. Le signe pour la réaction est l'opposé de la chaleur gagnée par l'eau.

ΔH avec un calorimètre à gobelet (pression constante)

Pour les réactions en solution (comme acide + base), un gobelet isolé et ouvert à l'air suffit. La pression reste égale à la pression atmosphérique, donc q_p = ΔH. Chaleur = m c ΔT de la solution ; ΔH par mole = −q ÷ nombre de moles.

Si ΔT augmente, la réaction est exothermique (ΔH < 0). Si ΔT diminue, la réaction est endothermique (ΔH > 0).

Enthalpie de réaction, état standard et formation

L'enthalpie de réaction ΔrH est la variation d'enthalpie quand les quantités de matière indiquées dans l'équation équilibrée réagissent : ΔrH = ΣH(produits) − ΣH(réactifs).

Enthalpie standard

Les valeurs dépendent des conditions, donc on les compare dans l'état standard : le corps pur à 1 bar et à la température indiquée (en général 298 K). Les valeurs standard portent le signe ° : ΔrH°.

Équations thermochimiques

C'est une équation équilibrée avec les états physiques et ΔrH, par exemple CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l) ; ΔrH° = −890.3 kJ mol⁻¹. Règles : (1) les coefficients sont des moles ; (2) si tu doubles l'équation, ΔH double (il est extensif) ; (3) si tu inverses l'équation, ΔH change de signe ; (4) les états physiques comptent (H₂O(l) et H₂O(g) donnent des valeurs différentes).

Enthalpie standard de formation ΔfH°

C'est la variation d'enthalpie quand 1 mol d'un composé se forme à partir de ses éléments dans leur état le plus stable (état de référence). Pour un élément dans son état de référence (O₂(g), C graphite, H₂(g)), ΔfH° = 0. On a alors ΔrH° = Σ ai ΔfH°(produits) − Σ bi ΔfH°(réactifs).

Loi de Hess (additivité des chaleurs de réaction)

Loi de Hess : si une réaction se fait en plusieurs étapes, sa variation d'enthalpie totale est la somme des variations d'enthalpie des étapes. Le chemin n'a pas d'importance, car H est une fonction d'état.

Exemple : C(graphite) + O₂ → CO₂, ΔH = −393.5 kJ. Ou en deux étapes : C + ½O₂ → CO (−110.5 kJ), puis CO + ½O₂ → CO₂ (−283.0 kJ). Somme = −393.5 kJ.

À quoi ça sert

Certaines enthalpies (comme ΔfH de CO ou de CH₄) ne peuvent pas être mesurées directement. On additionne, soustrait, inverse ou multiplie des équations thermochimiques connues jusqu'à obtenir l'équation voulue, et on traite les valeurs de ΔH de la même façon.

À l'examen

Les exercices sur la loi de Hess (3 points), la conversion ΔH–ΔU (2 points) et les définitions de calorimétrie tombent très souvent.

À essayer à la maison : un calorimètre à gobelet

Prends un verre en acier placé dans un gobelet en polystyrène. Verse 100 mL d'eau du robinet et note sa température (un thermomètre de cuisine ou médical convient). Ajoute deux cuillères de cristaux de soude ou un peu de lessive en poudre, remue et lis la nouvelle température. Si elle a augmenté, la dissolution est exothermique. Utilise ensuite q = m c ΔT = 100 × 4.18 × ΔT. Essaie les mêmes nombres dans le jeu libre en 3D.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Quelle chaleur faut-il pour chauffer 250 g d'eau de 20 °C à 80 °C ?

q = m c ΔT = 250 × 4.18 × (80 − 20) = 250 × 4.18 × 60 = 62 700 J = 62.7 kJ.

2. On brûle 1.00 g de graphite dans une bombe calorimétrique de capacité thermique 20.0 kJ K⁻¹. La température monte de 1.64 K. Trouve ΔU pour la combustion de 1 mol de carbone.

Chaleur gagnée par le calorimètre = 20.0 × 1.64 = 32.8 kJ. La réaction l'a cédée, donc q = −32.8 kJ par gramme. 1 mol de C = 12 g : ΔU = −32.8 × 12 = −393.6 kJ mol⁻¹.

3. On mélange 50 mL de HCl 1 M et 50 mL de NaOH 1 M dans un calorimètre à gobelet. La température monte de 6.8 K. Trouve l'enthalpie de neutralisation (prends 100 g de solution, c = 4.18 J g⁻¹ K⁻¹).

q = 100 × 4.18 × 6.8 = 2842 J. Moles d'eau formées = 0.050 × 1 = 0.050 mol. ΔH = −2842 ÷ 0.050 = −56 840 J mol⁻¹ ≈ −56.8 kJ mol⁻¹.

4. Pour N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g), ΔU = −87.0 kJ à 298 K. Trouve ΔH.

Δn_g = 2 − 4 = −2. ΔH = ΔU + Δn_g RT = −87.0 + (−2)(8.314 × 10⁻³)(298) = −87.0 − 4.96 = −91.96 ≈ −92.0 kJ.

5. Trouve ΔcH° du méthane. ΔfH° : CH₄(g) = −74.8, CO₂(g) = −393.5, H₂O(l) = −285.8 kJ mol⁻¹.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). ΔrH° = [−393.5 + 2(−285.8)] − [−74.8 + 0] = −965.1 + 74.8 = −890.3 kJ mol⁻¹.

6. On donne C + O₂ → CO₂, ΔH = −393.5 kJ et CO + ½O₂ → CO₂, ΔH = −283.0 kJ. Trouve ΔfH° de CO.

On veut : C + ½O₂ → CO. On garde l'équation 1 telle quelle et on inverse l'équation 2 : CO₂ → CO + ½O₂, ΔH = +283.0. On additionne : C + ½O₂ → CO, ΔH = −393.5 + 283.0 = −110.5 kJ mol⁻¹.

7. Utilise la loi de Hess pour trouver ΔfH° de CH₄. ΔcH° : C(graphite) = −393.5, H₂(g) = −285.8, CH₄(g) = −890.3 kJ mol⁻¹.

On veut : C + 2H₂ → CH₄. (i) C + O₂ → CO₂, −393.5. (ii) 2 × [H₂ + ½O₂ → H₂O], 2 × (−285.8) = −571.6. (iii) on inverse la combustion de CH₄ : CO₂ + 2H₂O → CH₄ + 2O₂, +890.3. On additionne : −393.5 − 571.6 + 890.3 = −74.8 kJ mol⁻¹.

8. La capacité thermique molaire à volume constant d'un gaz parfait est 12.5 J K⁻¹ mol⁻¹. Trouve C_p et la chaleur nécessaire pour chauffer 2 mol de 10 K à pression constante.

C_p = C_v + R = 12.5 + 8.3 = 20.8 J K⁻¹ mol⁻¹. q_p = n C_p ΔT = 2 × 20.8 × 10 = 416 J. C'est ΔH.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. La chaleur mesurée dans une bombe calorimétrique est égale à :
2. Pour quelle réaction a-t-on ΔH = ΔU ?
3. ΔfH° de O₂(g) à 298 K vaut :
4. La loi de Hess fonctionne parce que l'enthalpie est :
5. Laquelle est une grandeur intensive ?

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que l'enthalpie, en mots simples ?

L'enthalpie (H = U + pV) est le contenu en chaleur d'un système à pression constante. Sa variation, ΔH, est la chaleur reçue ou cédée dans un récipient ouvert.

Quelle est la différence entre une bombe calorimétrique et un calorimètre à gobelet ?

Une bombe calorimétrique est fermée (volume constant) et mesure ΔU, surtout pour les combustions. Un calorimètre à gobelet est ouvert (pression constante) et mesure ΔH, surtout pour les réactions en solution.

Que dit la loi de Hess ?

La variation d'enthalpie d'une réaction est la même, qu'elle se fasse en une étape ou en plusieurs. On peut donc additionner des équations thermochimiques pour trouver des valeurs de ΔH inconnues.

Où c'est enseigné

Canada (Ontario)Grade 12D. Energy Changes and Rates of Reaction
NetherlandsHAVO 5 (eindexamenjaar)Chemical processes and cycles (part 2)
NetherlandsVWO 5Chemical processes (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IKinetics, equilibrium and energetics
RomaniaClasa a VIII-aChemistry in our lives
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
Spain2º BachilleratoChemical reactions
Ukraine11 класGeneral review of chemistry
CBSE (India)Class 11Chemical Thermodynamics
England (GCSE, A level)Year 123.1 Physical chemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 8MS-PS1 Matter and its interactions
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Thermochemistry
Japan高校2年Chemical change and equilibrium
South Korea고등학교 2학년Spontaneity of chemical change
South Korea고등학교 3학년Dynamic reactions
South Korea고등학교 3학년Reaction enthalpy and equilibrium
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Hydrocarbons: fuels and reactants
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
China高二Selective 1 Ch.1 Thermal effects

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