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Calculer l'énergie molaire d'une réaction de combustion

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Objectif

Estimer l’énergie molaire de réaction pour une combustion, à partir des énergies des liaisons.

Points clés

L’énergie molaire E_réaction libérée au cours d’une réaction est égale à la différence entre la somme des énergies de liaisons des réactifs et la somme des énergies de liaisons des produits.
L’énergie molaire de liaison E_liaison d’une molécule est l’énergie nécessaire à apporter à une molécule pour casser ses liaisons.
L’énergie molaire de combustion est l’énergie nécessaire pour réaliser la combustion complète d’une mole de combustible. Cette énergie est toujours négative car une combustion libère de l’énergie.

Pour bien comprendre

Équation de la réaction de combustion
Coefficients stoechiométriques

Au cours d’une réaction chimique, des liaisons se forment ou se « cassent » entre les atomes et les molécules pour former les produits de la réaction.

Quelle est l’énergie mise en jeu lors de la formation et la rupture des liaisons atomiques ou moléculaires ?

1. La combustion

a. Rappel de la combustion

Une combustion résulte d’une réaction chimique entre un combustible et un comburant.

Le comburant le plus courant est le dioxygène O₂.

Une combustion est exothermique : elle libère de l’énergie sous forme de chaleur.

Pour les combustions rapides et assez chaudes, la réaction s’accompagne d’une flamme avec émission d’énergie lumineuse.

La combustion ne se produit pas spontanément, elle a besoin d’être activée par une énergie : il s’agit d’un apport de chaleur, sous forme d’étincelles ou autre.

b. Liaisons chimiques

À l’échelle microscopique, des liaisons chimiques des réactifs sont détruites lors de la combustion, ce qui libère les atomes. D’autres liaisons vont alors se former pour lier ces atomes et donner les molécules issues de la combustion (les produits).

2. L'énergie molaire de liaison

L’énergie de liaison E_liaison d’une molécule est l’énergie à apporter à une molécule pour casser ses liaisons. Elle s’exprime en joule (J).

Une énergie molaire de liaison est une énergie de liaison par unité de mole. Elle s’exprime en joule par mole (J·mol⁻¹).

Exemple
On considère la molécule de méthanol COH₄.
L’énergie molaire de la liaison C—H est E_C—H = 415 J·mol⁻¹ et celle de la liaison O—H est E_O—H = 463 J·mol⁻¹.
L’énergie à apporter à cette molécule pour casser la liaison C—H est moins importante que pour casser la liaison O—H.
On écrit la formule développée du méthanol :

Le méthanol est constitué de 3 liaisons C—H, de 1 liaison C—O et de 1 liaison O—H.

3. L'énergie molaire de réaction

a. Définition et formule

L’énergie molaire de réaction E_réaction est l’énergie libérée au cours d’une réaction chimique.

Cette énergie molaire correspond à la différence d’énergie entre les énergies de liaisons avant et après combustion.

Remarque
Pour comprendre à quoi correspond l’énergie molaire de réaction, il faut imaginer un processus au cours duquel toutes les molécules des réactifs se dissocient en atomes isolés à l’état gazeux, à partir desquels les molécules des produits se reforment.

Processus de transformation de réactifs en produits

Les liaisons des réactifs se rompent, ce qui libère de l’énergie.
Les liaisons des produits se forment à partir des atomes isolés (issus des ruptures de liaisons des produits), ce qui consomme de l’énergie.

L’énergie molaire de réaction E_réaction qui est libérée au cours de la réaction est donc égale à la différence des énergies de liaison de tous les réactifs (liaisons rompues) et des énergies de liaison des produits (liaisons formées).

avec :

E_réaction l’énergie molaire de la réaction, en joule par mole (J·mol⁻¹)
Σ E_{liaison des réactifs} la somme des énergies molaires de liaison des réactifs, en joule par mole (J·mol⁻¹)
Σ E_{liaison des produits} la somme des énergies de liaison des produits, en joule par mole (J·mol⁻¹)

b. L'énergie molaire de réaction d'une combustion

Pour une combustion complète, l’énergie molaire de réaction correspond à la combustion complète d’une mole de combustible.

Cette énergie est toujours négative car une combustion libère de l’énergie (elle est exothermique). Cela signifie que l’énergie fournie par la rupture des liaisons des réactifs est moins importante que l’énergie consommée par le système pour former les liaisons des produits.

Remarque
L’énergie libérée lors d’une combustion dépend de la quantité de combustible. Pour la calculer, il faut donc multiplier l’énergie molaire de réaction (pour 1 mole) par la quantité de matière du combustible.

4. Calculer l'énergie molaire d'une réaction

a. Méthode

Pour calculer l’énergie molaire d’une réaction, on suit la méthode suivante.

Étape 1 : Écrire l’équation de la réaction et l’équilibrer.
Étape 2 : Donner les formules développées des réactifs et des produits.
Étape 3 : Identifier les ruptures et formations de liaisons.
Pour chaque réactif et produit, on identifie les liaisons qui les constituent.
Étape 4 : Calculer les énergies molaires de liaisons.
On calcule les énergies de toutes les liaisons qui constituent les réactifs et les produits.
Étape 5 : Appliquer la formule .

b. Application - combustion du méthane

On souhaite calculer l’énergie molaire E_réaction qui est produite au cours de la combustion complète du méthane CH₄ à l’état gazeux.

Données – Énergies molaires de liaison :

E_C—H = 415 kJ·mol⁻¹ ;
E_O=O = 498 kJ·mol⁻¹ ;
E_C=O = 798 kJ·mol⁻¹ ;
E_O—H = 463 kJ·mol⁻¹.

Étape 1 : Écrire l’équation de la réaction et l’équilibrer.

L’équation associée à cette réaction est :

CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(g).

Remarque
Le visuel suivant montre le processus d’isolement des atomes dans cette réaction.
Les atomes qui constituent les réactifs de la réaction vont se retrouver isolés suite à la rupture des liaisons Ⓘ. Ces atomes isolés vont permettre la formation des produit de la réaction ②.

Rupture et formation de liaisons dans une réaction chimique

Étape 2 : Donner les formules développées des réactifs et des produits.

On écrit la formule développée de tous les constituants de cette équation.

Réactifs		Produits
Méthane CH₄	Dioxygène O₂	Dioxyde de carbone CO₂	Eau H₂O

Étape 3 : Identifier les formations et ruptures de liaisons.

Au cours de cette réaction, des liaisons vont se rompre et d’autres se former.

Rupture de 4 liaisons C—H dans 1 molécule de méthane CH₄.
Rupture de la double liaison O=O dans 2 molécules de dioxygène O₂.
Formation de 2 doubles liaisons C=O dans la molécule de CO₂.
Formation de 2 liaisons O—H dans 2 molécules d’eau H₂O.

Étape 4 : Calculer les énergies molaires des liaisons.

On calcule les énergies de toutes les liaisons qui constituent les réactifs et les produits.

La rupture de 4 liaisons C—H (4 × 1) fournit l’énergie molaire E_{liaison C—H} = 4 × E_C—H.
La rupture de 2 doubles liaisons O=O (1 × 2) fournit l’énergie molaire E_liaison O=O = 2 × E_O=O.
La formation de 2 doubles liaisons C=O (2 × 1) consomme l’énergie molaire E_liaison C=O = 2 × E_C=O.
La formation de 4 liaisons O—H (2 × 2) consomme l’énergie molaire E_{liaison O—H} = 4 × E_O—H.

Étape 5 : Appliquer la formule.

On applique la formule :

On obtient ainsi :

E_réaction = (4 × E_C—H + 2 × E_O=O) − (2 × E_C=O + 4 × E_O—H)
E_réaction = (4 × 415 + 2 × 498) − (2 × 798 + 4 × 463)
E_réaction = −792 kJ·mol⁻¹ = −792 × 10³ J·mol⁻¹.