La enthalpie de réaction est une fonction thermodynamique qui permet de calculer la chaleur gagnée ou délivrée lors d'une réaction chimique, à condition que cette réaction se soit produite à pression constante. Elle est définie comme l'énergie interne U plus le produit de la pression P par le volume V des substances qui participent à une réaction chimique, comme suit: H = U + P ∙ V
Par conséquent, l'enthalpie a des dimensions d'énergie et, dans le Système international de mesures, elle est mesurée en Joules. Pour comprendre la relation entre l'enthalpie et la chaleur échangée dans une réaction chimique, il est nécessaire de se souvenir de la première loi de la thermodynamique, qui stipule ce qui suit: Q = ΔU + W
La première loi établit que la chaleur échangée dans un processus thermodynamique est égale à la variation de l'énergie interne des substances impliquées dans le processus plus le travail effectué par lesdites substances dans le processus..
Dans tout processus, le travail W est calculé par la relation suivante:
Dans l'expression ci-dessus, Vi est le volume initial, Vf le volume final et P la pression. Si le processus est effectué à pression constante P, le travail résultant sera:
Où ΔV est le changement de volume.
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Les réactions chimiques sont des processus thermodynamiques qui se produisent généralement à pression constante et très fréquemment à pression atmosphérique. Ce type de processus thermodynamique est appelé "isobare", car il se produit à pression constante.
Dans ce cas, la première loi de la thermodynamique peut s'écrire comme ceci:
Qp = ΔU + P ∙ ΔV
Où Qp indique que la chaleur a été échangée à pression constante. Si la définition de l'enthalpie H = U + P ∙ V est introduite dans l'expression précédente, on obtient alors:
Qp = ΔH
Par conséquent, un changement d'enthalpie positif indique une réaction qui a pris la chaleur de l'environnement. Ceci est une réaction endothermique.
Au contraire, si le changement d'enthalpie est négatif, il s'agit d'une réaction exothermique.
En fait, le mot enthalpie vient du mot grec enthalpien, dont le sens est "chauffer".
L'enthalpie est souvent également appelée chaleur. Mais il doit être clair que ce n'est pas la même chose que la chaleur, mais c'est l'échange de chaleur pendant le processus thermodynamique qui change l'enthalpie.
Contrairement à la chaleur, l'enthalpie est fonction de l'état. Lorsque le changement d'enthalpie est calculé, la différence de deux fonctions qui dépendent exclusivement de l'état du système, telles que l'énergie interne et le volume, sont calculées..
ΔH = ΔU + P ∙ ΔV
Puisque la pression reste constante dans la réaction, alors l'enthalpie de la réaction est une fonction d'état qui ne dépend que de l'énergie interne et du volume..
Dans une réaction chimique, l'enthalpie des réactifs peut être définie comme la somme de celle de chacun d'eux; et celle des produits comme somme de l'enthalpie de tous les produits.
Le changement d'enthalpie dans une réaction est la différence des produits moins celle des réactifs:
Dans une réaction endothermique, l'enthalpie des produits est supérieure à celle des réactifs; c'est-à-dire que la réaction prend la chaleur de l'environnement. Au contraire, dans une réaction exothermique, l'enthalpie des réactifs est supérieure à celle des produits, car la réaction cède de la chaleur à l'environnement.
Étant donné que le changement d'enthalpie dans une réaction chimique peut dépendre de la pression et de la température, il est habituel de définir des conditions de réaction standard:
Température de réaction standard: 25 ° C.
Pression de réaction standard: 1 atm = 1 bar.
L'enthalpie standard est notée comme ceci: H °
Dans une équation thermochimique, non seulement les réactifs et les produits importent, mais la variation d'enthalpie compte également. L'enthalpie est comprise comme la réaction au changement qui a eu lieu au cours de la même.
À titre d'exemple, regardons les réactions suivantes:
2 H2 (gaz) + O2 (gaz) → 2 H2O (liquide); ΔH ° = -571,6 kJ (exothermique).
H2 (gaz) + (½) O2 (gaz) → H2O (liquide); ΔH ° = -285,8 kJ (exothermique).
2 H2O (liquide) → 2 H2 (gaz) + O2 (gaz); ΔH ° = +571,6 kJ (endothermique).
Si les termes d'une équation chimique sont multipliés ou divisés par un certain facteur, l'enthalpie est multipliée ou divisée par le même.
Si la réaction est inversée, le signe de l'enthalpie de réaction est également inversé.
L'acétylène gazeux C2H2 est obtenu à partir de la réaction du carbure de calcium CaC2 qui se présente sous forme granulée avec de l'eau à température et pression ambiantes..
Comme données, nous avons les enthalpies de formation des réactifs:
ΔH ° (CaC2) = -59,0 kJ / mol
ΔH ° (H20) = -285,8 kJ / mol
Et l'enthalpie de formation des produits:
ΔH ° (C2H2) = +227,0 kJ / mol
ΔH ° (Ca (OH) 2) = -986,0 kJ / mol
Trouvez l'entropie standard de la réaction.
La première chose est de proposer l'équation chimique équilibrée:
CaC2 (s) + 2H20 (l) → Ca (OH) 2 (s) + C2H2 (g)
Et maintenant les enthalpies des réactifs, des produits et de la réaction:
- Réactifs: -59,0 kJ / mol -2 ∙ 285,8 kJ / mol = -630,6 kJ / mol
- Produits: -986,0 kJ / mol + 227,0 kJ / mol = -759 kJ / mol
- Réaction: ΔH ° = -759 kJ / mol - (-630 kJ / mol) = -129 kJ / mol
C'est une réaction exothermique.
Lorsqu'un litre d'acétylène est brûlé dans des conditions standard, la quantité de chaleur dégagée?
Une fois équilibrée, la réaction de combustion de l'acétylène ressemble à ceci:
C2H2 (g) + (5/2) O2 (g) → 2 CO2 (g) + H20 (l)
Nous avons besoin des enthalpies de formation des produits:
ΔH ° (CO2) = -393,5 kJ / mol
ΔH ° (H2O (l)) = -285,8 kJ / mol
Avec ces données, nous pouvons calculer l'enthalpie des produits:
ΔH ° (produits) = 2 * (- 393,5 kJ / mol) + (-285,8 kJ / mol) = -1072,8 kJ / mol
Et l'enthalpie de formation des réactifs:
ΔH ° (C2H2) = 227,0 kJ / mol
ΔH ° (O2) = 0,0 kJ / mol
L'enthalpie des réactifs sera:
227,0 kJ / mol + (5/2) * 0,0 = 227,0 kJ / mol
L'enthalpie de réaction molaire sera alors: ΔH ° (produits) - ΔH ° (réactifs) = -1072,8kJ / mol - 227,0 kJ / mol = -1299,8 kJ / mol
Nous devons maintenant savoir combien de moles d'acétylène représentent un litre d'acétylène dans des conditions standard. Pour cela, nous utiliserons l'équation d'état d'un gaz idéal, à partir de laquelle nous allons résoudre le nombre de moles.
Nombre de moles n = P * V / (R * T)
P = 1 atm = 1,013 x 10⁵ Pa
V = 1 l = 1,0 x 10 ^ -3 m³
R = 8,31 J / (mol * K)
T = 25 ° C = 298,15 K
n = 0,041 mol
L'enthalpie de combustion de 1 litre d'acétylène est de 0,041 mol * (-1299,8 kJ / mol) = -53,13 kJ
Le signe négatif indique qu'il s'agit d'une réaction exothermique qui dégage 53,13 kJ = 12,69 kcal.
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