Énergie libérée au cours d’une combustion

Au cours d’une réaction chimique, il y a une réorganisation des atomes grâce à des ruptures et des formations de liaisons. Ces modifications de liaisons peuvent entraîner une libération d’énergie de la part du système chimique.

I Énergies dans une molécule

Pour une liaison A−B entre 2 atomes A et B, l’énergie de liaison est égale à l’énergie nécessaire pour casser une mole de cette liaison. L’opération se réalise à l’état gazeux. L’énergie de liaison notée DA−B s’exprime en kilojoules par mole (kJ · mol⁻¹). Sa valeur varie en fonction des atomes engagés dans la liaison.

L’énergie molaire de cohésion mesure la solidité d’une molécule. C’est l’énergie qu’il faut fournir à une mole de cette molécule pour la dissocier en tous ses atomes constitutifs. Elle est égale à la somme des énergies de liaison de la molécule :

$E_{\text{mC}}=\sum _{\text{i}}{D}_{{\text{A}}_{\text{i}}–{\text{B}}_{\text{i}}}$

Le bilan des énergies consommées (liaisons dans les réactifs qui se rompent) et libérées (liaisons dans les produits qui se forment) lors d’une réaction chimique fournit l’énergie molaire de réaction.

Cette énergie est égale à la somme ­algébrique des énergies des liaisons rompues et formées sur la base de l’équation-bilan de la réaction.

$E_{\text{mreac}}=\sum _{\text{i}}{D}_{{\text{A}}_{\text{j}}–{\text{B}}_{\text{j}}}\left(\text{rompues}\right)–\sum _{\text{i}}{D}_{{\text{A}}_{\text{j}}–{\text{B}}_{\text{j}}}\left(\text{formées}\right)$

L’énergie de réaction est égale à la variation de l’énergie chimique du système ΔEchimique lorsque l’avancement x de la réaction varie d’une mole :

ΔEchimique = x × Emreac

II Cas de la combustion des alcanes et des alcools en phase gazeuse

Les énergies molaires des réactions de combustion des alcanes et des alcools sont négatives. Donc de l’énergie est libérée au cours des combustions des alcanes et des alcools. Cette énergie libérée est exprimée en joules (J).

La totalité de cette énergie chimique perdue est convertie en énergie thermique cédée à l’extérieur du système chimique : la réaction de combustion est exo­thermique.

Le pouvoir calorifique est l’énergie thermique libérée par la combustion complète de 1 kg de combustible. Il s’exprime en kilojoules par kilogramme (kJ·kg⁻¹), et on le note PC(molécule). Le pouvoir calorifique d’un combustible est une grandeur positive, car elle est définie par rapport au milieu extérieur.

Données : DC−H = 415 kJ · mol⁻¹ ; DC−O = 356 kJ · mol⁻¹ ; DO=O = 498 kJ · mol⁻¹ ; DC=O = 743 kJ · mol⁻¹ ; DO−H = 463 J · mol⁻¹.

1 Déterminer l’énergie molaire de cohésion d’une molécule

Déterminer l’énergie molaire de cohésion du méthanol de formule CH3OH.

Repère
Conseils

Identifiez et comptez tous les types de liaisons dans la molécule.

On peut s’aider d’une formule développée ou semi-développée de la molécule.

Appliquez la formule : $E_{mC}={\sum }_{\text{i}}{D}_{{\text{A}}_{\text{i}}–{\text{B}}_{\text{i}}}$.

solution

La formule semi-développée du méthanol est CH3−OH.

On compte alors 3 liaisons C−H, 1 liaison C−O et 1 liaison O−H.

On applique la formule :

EmC = 3DC−H + DC−O + DO−H = 3 × 415 + 356 + 463 = 2 064 kJ · mol⁻¹.

2 Calculer l’énergie molaire de réaction de la combustion d’un alcane

On réalise la combustion du méthane dans le dioxygène.

a. Écrire l’équation de la réaction.

b. Déterminer l’énergie molaire de la réaction.

conseils

a. Une équation est équilibrée si les lois de conservation sont respectées.

Lors d’une combustion, il se forme du dioxyde de carbone et de l’eau.

b. Identifiez et comptez tous les types de liaisons qui sont rompues parmi les réactifs d’une part, tous les types de liaisons qui sont formées parmi les produits d’autre part et appliquez la formule du cours.

solution

a. L’équation-bilan est la suivante : CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g)

b. Les liaisons rompues parmi les réactifs : 4 liaisons C−H et 2 liaisons O=O.

Les liaisons formées parmi les produits : 2 liaisons C=O et 4 liaisons O−H.

On applique la formule : Emreac =$\sum _{\text{i}}{D}_{A_{\text{i}}-B_{\text{i}}}(\text{rompues)}–\sum _{\text{j}}{D}_{A_{\text{j}}-B_{\text{j}}}(\text{formées})$

Emreac = 4DC−H + 2DO=O – (2DC=O + 4DO−H)

Emreac = 4 × 415 + 2 × 498 – (2 × 743 + 4 × 463) = –682 kJ · mol⁻¹.

Vérifiez que vous avez bien compris les points clés des fiches 20 à 22.