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Chimie

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...Par Étude de Chimie
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Exercice : Combustion du Méthane (CH₄)

Combustion du Méthane (CH₄)

Contexte : La réaction de combustionUne réaction chimique exothermique entre un combustible et un oxydant, généralement le dioxygène de l'air, qui produit de la chaleur et de la lumière..

Le méthane (CH₄) est le principal constituant du gaz naturel. Sa combustion est une source d'énergie majeure pour le chauffage, la cuisson et la production d'électricité. Comprendre les aspects quantitatifs de cette réaction, c'est-à-dire la stœchiométrieL'étude des relations quantitatives entre les réactifs et les produits dans une réaction chimique., est fondamental en chimie. Cet exercice vous guidera à travers l'équilibrage de l'équation, le calcul des masses des réactifs et des produits, et la détermination de l'énergie libérée.

Remarque Pédagogique : Cet exercice est conçu pour appliquer les concepts clés de la stœchiométrie (relations molaires) et de la thermochimie (calcul d'enthalpie) à une réaction chimique concrète et importante.


Objectifs Pédagogiques

  • Équilibrer correctement une équation de réaction chimique.
  • Calculer et utiliser les masses molaires pour convertir des masses en moles.
  • Appliquer les rapports stœchiométriques pour calculer les quantités de réactifs et de produits.
  • Calculer l'enthalpie standard d'une réaction à l'aide de la loi de Hess.

Données de l'étude

Nous étudions la combustion complète d'une masse de 32 g de méthane (CH₄) dans un excès de dioxygène (O₂), dans les conditions standards de température et de pression.

Fiche Technique de la Réaction
Schéma Moléculaire de la Réaction
Réactifs CH₄ + 2 O₂ Produits CO₂ + 2 H₂O
Donnée Symbole Valeur
Masse molaire atomique du Carbone M(C) 12.0 g/mol
Masse molaire atomique de l'Hydrogène M(H) 1.0 g/mol
Masse molaire atomique de l'Oxygène M(O) 16.0 g/mol
Enthalpie standard de formation de CH₄(g) \( \Delta H^\circ_f(\text{CH}_4) \) -74.8 kJ/mol
Enthalpie standard de formation de CO₂(g) \( \Delta H^\circ_f(\text{CO}_2) \) -393.5 kJ/mol
Enthalpie standard de formation de H₂O(l) \( \Delta H^\circ_f(\text{H}_2\text{O}) \) -285.8 kJ/mol

Questions à traiter

  1. Écrire et équilibrer l'équation de la réaction de combustion complète du méthane.
  2. Calculer les masses molaires des réactifs (CH₄, O₂) et des produits (CO₂, H₂O).
  3. Calculer la quantité de matière (en moles) correspondant à 32 g de méthane.
  4. Déterminer la masse de dioxygène nécessaire et les masses de dioxyde de carbone et d'eau produites.
  5. Calculer l'enthalpie standard de la réaction (\( \Delta H^\circ_{\text{réaction}} \)) pour la combustion d'une mole de méthane.

Les bases sur la Stœchiométrie et la Thermochimie

Pour résoudre cet exercice, deux domaines de la chimie sont essentiels : la stœchiométrie, qui traite des quantités de matière, et la thermochimie, qui s'intéresse aux énergies mises en jeu.

1. Équilibrage d'une équation chimique
Le principe fondamental est la loi de conservation de la masse (ou des atomes) de Lavoisier : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme." Cela signifie que le nombre d'atomes de chaque élément doit être identique du côté des réactifs (à gauche de la flèche) et du côté des produits (à droite). On ajuste pour cela les coefficients stœchiométriques placés devant chaque molécule.

2. Loi de Hess et Enthalpie de Réaction
L'enthalpie de réaction (\( \Delta H^\circ_{\text{réaction}} \)) est la variation de chaleur d'une réaction à pression constante. La loi de Hess stipule que cette variation est la même que la réaction se fasse en une ou plusieurs étapes. Une conséquence pratique est que l'on peut calculer \( \Delta H^\circ_{\text{réaction}} \) à partir des enthalpies standards de formation (\( \Delta H^\circ_f \)) des composés impliqués : \[ \Delta H^\circ_{\text{réaction}} = \sum (n_p \cdot \Delta H^\circ_{f, \text{produits}}) - \sum (n_r \cdot \Delta H^\circ_{f, \text{réactifs}}) \] Où \(n_p\) et \(n_r\) sont les coefficients stœchiométriques des produits et des réactifs.


Correction : Combustion du Méthane (CH₄)

Question 1 : Écrire et équilibrer l'équation de la réaction

Principe

L'objectif est d'appliquer la loi de conservation des atomes. Nous devons nous assurer que pour chaque élément (Carbone, Hydrogène, Oxygène), il y a le même nombre d'atomes avant et après la réaction. C'est le principe de conservation de la matière de Lavoisier.

Mini-Cours

Une équation chimique est une représentation symbolique d'une réaction. Les substances initiales sont les réactifs (à gauche) et les substances finales sont les produits (à droite). Les nombres placés devant les formules chimiques sont les coefficients stœchiométriques. Ils indiquent la proportion en moles de chaque substance.

Remarque Pédagogique

Pour équilibrer une équation de combustion, il est souvent plus simple de suivre un ordre : d'abord les atomes de Carbone (C), puis les atomes d'Hydrogène (H), et enfin les atomes d'Oxygène (O), car ces derniers apparaissent souvent dans plusieurs molécules.

Normes

La notation des équations chimiques, incluant l'état de la matière (g pour gazeux, l pour liquide, s pour solide, aq pour aqueux), suit les conventions de l'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (UICPA/IUPAC).

Hypothèses

On suppose que la combustion est "complète", c'est-à-dire que les seuls produits carbonés et hydrogénés formés sont respectivement le dioxyde de carbone (CO₂) et l'eau (H₂O).

Donnée(s)
TypeEspèce chimique
RéactifsMéthane (CH₄), Dioxygène (O₂)
ProduitsDioxyde de carbone (CO₂), Eau (H₂O)
Astuces

Commencez toujours par l'élément qui apparaît dans le moins de molécules. Ici, C et H n'apparaissent que dans une molécule de chaque côté, tandis que O apparaît dans deux produits. Il est donc plus sage de laisser l'équilibrage de O pour la fin.

Schéma (Avant les calculs)
Décompte des atomes avant équilibrage
Réactifs (CH₄ + O₂)Produits (CO₂ + H₂O)C: 1H: 4O: 2C: 1H: 2 (Déséquilibré)O: 3 (Déséquilibré)
Calcul(s)

Étape 1 : Équation non équilibrée

\[ \text{CH}_4 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \]

Étape 2 : Équilibrage du Carbone (C) et de l'Hydrogène (H)

On a 1 C à gauche et 1 C à droite (équilibré). On a 4 H à gauche et 2 H à droite, on place donc un 2 devant H₂O.

\[ \text{CH}_4 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \]

Étape 3 : Équilibrage de l'Oxygène (O)

On compte 4 O à droite (2 dans CO₂ + 2 dans 2H₂O). On place donc un 2 devant O₂ à gauche.

\[ \text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \]
Schéma (Après les calculs)
Décompte des atomes après équilibrage
Réactifs (CH₄ + 2O₂)Produits (CO₂ + 2H₂O)C: 1H: 4O: 4C: 1H: 4O: 4
Réflexions

L'équation finale nous indique que 1 molécule (ou 1 mole) de méthane réagit avec 2 molécules (ou 2 moles) de dioxygène pour former 1 molécule (ou 1 mole) de dioxyde de carbone et 2 molécules (ou 2 moles) d'eau. Ces proportions sont la clé de tous les calculs qui vont suivre.

Points de vigilance

L'erreur la plus commune est de mal compter les atomes d'un côté, surtout l'oxygène qui est présent dans deux produits différents. Toujours refaire un décompte final pour chaque élément après avoir ajusté les coefficients.

Points à retenir

Pour équilibrer une équation : 1. Conserver les atomes, 2. Ne modifier que les coefficients, 3. Vérifier le décompte à la fin.

Le saviez-vous ?

Antoine Lavoisier, le "père de la chimie moderne" qui a établi le principe de conservation de la masse, a eu une fin tragique : il a été guillotiné en 1794 pendant la Révolution française.

FAQ

Pourquoi la combustion est-elle dite "complète" ?

Une combustion est "complète" lorsque le combustible réagit avec suffisamment de dioxygène pour former uniquement du dioxyde de carbone (CO₂) et de l'eau (H₂O). Si le dioxygène est en quantité insuffisante, la combustion est "incomplète" et peut produire du monoxyde de carbone (CO) ou du carbone solide (suie), qui sont dangereux ou polluants.

Résultat Final
L'équation équilibrée est : \( \text{CH}_4(\text{g}) + 2\text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{CO}_2(\text{g}) + 2\text{H}_2\text{O}(\text{l}) \).
A vous de jouer

En suivant la même méthode, équilibrez l'équation de la combustion du propane : \( \text{C}_3\text{H}_8 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \). La bonne séquence de coefficients est : 1, 5, 3, 4.

Question 2 : Calculer les masses molaires (M)

Principe

La masse molaire d'un composé chimique est la masse d'une mole de ce composé. Elle se calcule en additionnant les masses molaires atomiques de tous les atomes présents dans sa formule chimique.

Mini-Cours

Une mole est une unité de quantité de matière qui correspond à un nombre spécifique de particules (atomes, molécules), appelé Nombre d'Avogadro (\(N_A \approx 6.022 \times 10^{23}\)). La masse molaire atomique d'un élément (trouvée dans le tableau périodique) est la masse d'une mole d'atomes de cet élément, exprimée en grammes par mole (g/mol).

Remarque Pédagogique

Prenez l'habitude de vous référer au tableau périodique des éléments pour les masses molaires atomiques. Pour cet exercice, les valeurs sont fournies, mais dans un cas réel, c'est votre source de référence principale.

Normes

Les masses molaires atomiques standards sont publiées par l'UICPA (IUPAC) et sont révisées périodiquement en fonction des nouvelles mesures isotopiques.

Formule(s)

Formule générale de la masse molaire

\[ M(\text{A}_x\text{B}_y) = x \cdot M(\text{A}) + y \cdot M(\text{B}) \]
Hypothèses

Nous utilisons les masses molaires atomiques arrondies fournies dans l'énoncé de l'exercice pour simplifier les calculs.

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Masse molaire atomique du CarboneM(C)12.0g/mol
Masse molaire atomique de l'HydrogèneM(H)1.0g/mol
Masse molaire atomique de l'OxygèneM(O)16.0g/mol
Astuces

Pour les calculs rapides en chimie organique, il est utile de mémoriser les masses molaires des éléments les plus courants : C (12), H (1), O (16), N (14).

Schéma (Avant les calculs)
Composition des molécules
CHHHHCH₄OOO₂COOCO₂OHHH₂O
Calcul(s)

Masse molaire du Méthane (CH₄)

\[ \begin{aligned} M(\text{CH}_4) &= M(\text{C}) + 4 \times M(\text{H}) \\ &= 12.0 + 4 \times 1.0 \\ &= 16.0 \text{ g/mol} \end{aligned} \]

Masse molaire du Dioxygène (O₂)

\[ \begin{aligned} M(\text{O}_2) &= 2 \times M(\text{O}) \\ &= 2 \times 16.0 \\ &= 32.0 \text{ g/mol} \end{aligned} \]

Masse molaire du Dioxyde de Carbone (CO₂)

\[ \begin{aligned} M(\text{CO}_2) &= M(\text{C}) + 2 \times M(\text{O}) \\ &= 12.0 + 2 \times 16.0 \\ &= 44.0 \text{ g/mol} \end{aligned} \]

Masse molaire de l'Eau (H₂O)

\[ \begin{aligned} M(\text{H}_2\text{O}) &= 2 \times M(\text{H}) + M(\text{O}) \\ &= 2 \times 1.0 + 16.0 \\ &= 18.0 \text{ g/mol} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Comparaison des Masses Molaires
16.0CH₄32.0O₂44.0CO₂18.0H₂OM (g/mol)
Réflexions

On remarque que la molécule de CO₂ est la plus lourde, presque trois fois plus que le méthane. Inversement, l'eau est une molécule relativement légère. Ces différences de masse sont importantes car elles influencent la quantité (en grammes) de chaque produit formé.

Points de vigilance

Faites très attention aux indices dans les formules chimiques. Une erreur fréquente est d'oublier de multiplier la masse molaire atomique par le nombre d'atomes (par exemple, calculer M(O₂) comme 16.0 g/mol au lieu de 32.0 g/mol).

Points à retenir

La masse molaire est le pont entre la masse d'un échantillon (mesurable en laboratoire) et la quantité de matière (utilisée dans les calculs stœchiométriques).

Le saviez-vous ?

Le concept de mole a été introduit par Wilhelm Ostwald en 1894. Le terme vient du mot allemand "Molekül" (molécule).

FAQ

Pourquoi l'unité est-elle "grammes par mole" ?

Cette unité exprime simplement la masse (en grammes) que pèserait une mole (soit \(6.022 \times 10^{23}\) particules) de la substance en question. C'est un facteur de conversion direct entre la masse et la quantité de matière.

Résultat Final
Les masses molaires sont : M(CH₄) = 16.0 g/mol, M(O₂) = 32.0 g/mol, M(CO₂) = 44.0 g/mol et M(H₂O) = 18.0 g/mol.
A vous de jouer

Calculez la masse molaire du glucose (\( \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \)). Réponse attendue : 180.0 g/mol.

Question 3 : Calculer la quantité de matière (n) de méthane

Principe

La quantité de matière, exprimée en moles, est le lien entre le monde macroscopique (la masse que l'on peut peser) et le monde microscopique (le nombre de molécules qui réagissent). On la calcule en divisant la masse de l'échantillon par la masse d'une mole de cette substance (sa masse molaire).

Mini-Cours

La relation fondamentale liant la masse (m), la quantité de matière (n) et la masse molaire (M) est l'une des plus importantes en chimie quantitative. Elle permet de passer d'une grandeur à l'autre, ce qui est essentiel pour prédire les résultats d'une réaction.

Remarque Pédagogique

Considérez ce calcul comme la première étape de toute résolution de problème de stœchiométrie. Tant que vous travaillez avec des masses, vous ne pouvez pas utiliser directement les proportions de l'équation chimique. Vous devez d'abord tout convertir en moles.

Normes

La mole (symbole : mol) est l'une des sept unités de base du Système International d'unités (SI). Elle est fondamentale pour toutes les mesures quantitatives en chimie.

Formule(s)

Formule de la quantité de matière

\[ n (\text{mol}) = \frac{m (\text{g})}{M (\text{g/mol})} \]
Hypothèses

On suppose que l'échantillon de 32 g est constitué de méthane pur.

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Masse de méthanem(CH₄)32g
Masse molaire du méthaneM(CH₄)16.0g/mol
Astuces

Utilisez l'analyse dimensionnelle pour vérifier que votre formule est correcte. En divisant des grammes (g) par des grammes par mole (g/mol), les grammes s'annulent et l'unité résultante est bien des moles (mol), ce qui confirme la validité de la formule \(n=m/M\).

Schéma (Avant les calculs)
Conversion Masse → Moles
32 gde CH₄? moles÷ M(CH₄)
Calcul(s)

Calcul des moles de Méthane

\[ \begin{aligned} n(\text{CH}_4) &= \frac{m(\text{CH}_4)}{M(\text{CH}_4)} \\ &= \frac{32 \text{ g}}{16.0 \text{ g/mol}} \\ &= 2.0 \text{ mol} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Équivalence Masse ↔ Moles
32 gde CH₄2.0 moles
Réflexions

Nous avons converti une masse macroscopique (32 g) en une quantité de matière (2.0 mol) qui a un sens à l'échelle moléculaire. C'est cette quantité qui va maintenant nous permettre d'utiliser les rapports de l'équation chimique.

Points de vigilance

L'erreur la plus fréquente est une erreur d'unité. Assurez-vous que la masse est bien en grammes si la masse molaire est en grammes par mole. Si l'on vous donnait la masse en kilogrammes (kg), il faudrait la convertir en grammes avant le calcul.

Points à retenir

La formule \(n = m/M\) est un pilier de la chimie. Elle est la clé pour traduire une masse mesurable en une quantité de particules utilisable pour les calculs de réaction.

Le saviez-vous ?

Amedeo Avogadro a postulé que des volumes égaux de gaz différents, dans les mêmes conditions, contiennent le même nombre de molécules. Cependant, il n'a jamais calculé ce nombre. C'est le physicien Jean Perrin qui l'a déterminé des décennies plus tard et a proposé de le nommer en l'honneur d'Avogadro.

FAQ

Peut-on calculer des moles à partir d'un volume ?

Oui, pour les gaz, on peut utiliser la loi des gaz parfaits \(PV=nRT\), où \(n\) est le nombre de moles. Pour les solutions, on utilise la concentration molaire \(C = n/V\).

Résultat Final
Il y a 2.0 moles dans 32 g de méthane.
A vous de jouer

Quelle est la quantité de matière dans 90 g d'eau (\( \text{H}_2\text{O} \)) ? (M(H₂O) = 18.0 g/mol). Réponse : 5.0 mol.

Question 4 : Calculer les masses des autres espèces

Principe

Le cœur de la stœchiométrie : l'équation chimique équilibrée nous donne les proportions exactes en moles dans lesquelles les substances réagissent et sont produites. On utilise ces "rapports stœchiométriques" pour déterminer la quantité en moles de chaque participant, puis on reconvertit ces quantités en masses.

Mini-Cours

La méthode est souvent appelée "le pont des moles". On part d'une quantité connue d'une substance (A), on la convertit en moles. On utilise ensuite le rapport des coefficients stœchiométriques de l'équation (\( \frac{\text{coeff. de B}}{\text{coeff. de A}} \)) pour "traverser le pont" et trouver la quantité de moles d'une autre substance (B). Enfin, on reconvertit les moles de B en masse.

Remarque Pédagogique

Cette méthode en trois étapes (Masse A -> Moles A -> Moles B -> Masse B) est universelle en stœchiométrie. La maîtriser, c'est savoir résoudre la majorité des problèmes de calcul de quantités en chimie.

Normes

Ces calculs reposent sur la Loi des proportions définies de Joseph Proust, qui énonce qu'un composé chimique contient toujours les mêmes éléments dans les mêmes proportions en masse.

Formule(s)

Rapport stœchiométrique

\[ n(\text{B}) = n(\text{A}) \times \frac{\text{coeff. stœchio. de B}}{\text{coeff. stœchio. de A}} \]

Conversion mole-masse

\[ m = n \times M \]
Hypothèses

On suppose que la réaction est totale (tout le méthane est consommé) et que le dioxygène est en excès, ce qui signifie que le méthane est le réactif limitant qui dicte les quantités produites.

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Quantité de matière de méthanen(CH₄)2.0mol
Masse molaire du dioxygèneM(O₂)32.0g/mol
Masse molaire du dioxyde de carboneM(CO₂)44.0g/mol
Masse molaire de l'eauM(H₂O)18.0g/mol
Astuces

Une fois tous les calculs terminés, vérifiez toujours la loi de conservation de la masse : la somme des masses des réactifs doit être égale à la somme des masses des produits. C'est un excellent moyen de détecter une erreur de calcul.

Schéma (Avant les calculs)
Le "Pont des Moles"
Masse de A÷ M(A)Moles de ARapportStœchio.Moles de Bx M(B)Masse de B
Calcul(s)

Étape 1 : Calcul des quantités de matière (moles)

Quantité de dioxygène (O₂)

\[ \begin{aligned} n(\text{O}_2) &= n(\text{CH}_4) \times \frac{2}{1} \\ &= 2.0 \text{ mol} \times 2 \\ &= 4.0 \text{ mol} \end{aligned} \]

Quantité de dioxyde de carbone (CO₂)

\[ \begin{aligned} n(\text{CO}_2) &= n(\text{CH}_4) \times \frac{1}{1} \\ &= 2.0 \text{ mol} \times 1 \\ &= 2.0 \text{ mol} \end{aligned} \]

Quantité d'eau (H₂O)

\[ \begin{aligned} n(\text{H}_2\text{O}) &= n(\text{CH}_4) \times \frac{2}{1} \\ &= 2.0 \text{ mol} \times 2 \\ &= 4.0 \text{ mol} \end{aligned} \]

Étape 2 : Conversion des moles en masses

Masse de dioxygène (O₂)

\[ \begin{aligned} m(\text{O}_2) &= n(\text{O}_2) \times M(\text{O}_2) \\ &= 4.0 \text{ mol} \times 32.0 \text{ g/mol} \\ &= 128 \text{ g} \end{aligned} \]

Masse de dioxyde de carbone (CO₂)

\[ \begin{aligned} m(\text{CO}_2) &= n(\text{CO}_2) \times M(\text{CO}_2) \\ &= 2.0 \text{ mol} \times 44.0 \text{ g/mol} \\ &= 88 \text{ g} \end{aligned} \]

Masse d'eau (H₂O)

\[ \begin{aligned} m(\text{H}_2\text{O}) &= n(\text{H}_2\text{O}) \times M(\text{H}_2\text{O}) \\ &= 4.0 \text{ mol} \times 18.0 \text{ g/mol} \\ &= 72 \text{ g} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Bilan de Masse de la Réaction
RéactifsProduitsCH₄32 gO₂128 gCO₂88 gH₂O72 gTotal : 160 gTotal : 160 g
Réflexions

On constate que pour brûler 32 g de méthane, il faut 128 g de dioxygène, soit 4 fois plus en masse. Cela illustre bien le fait que l'air (qui contient l'O₂) est le principal "ingrédient" en masse d'une combustion. De plus, on voit que la masse est conservée : 32 g + 128 g = 160 g (réactifs) = 88 g + 72 g = 160 g (produits).

Points de vigilance

Attention à ne pas utiliser les masses directement dans les rapports. Les proportions d'une équation chimique sont toujours en moles, jamais en grammes ! C'est l'erreur la plus grave en stœchiométrie.

Points à retenir

Les coefficients de l'équation équilibrée sont le guide pour convertir la quantité de matière d'un réactif en la quantité de n'importe quel autre réactif ou produit.

Le saviez-vous ?

La stœchiométrie est cruciale dans l'industrie. Par exemple, pour fabriquer de l'ammoniac (engrais) via le procédé Haber-Bosch (\( \text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightarrow 2\text{NH}_3 \)), les ingénieurs doivent injecter précisément 3 moles d'hydrogène pour chaque mole d'azote afin de maximiser le rendement et d'éviter le gaspillage.

FAQ

Que signifie "réactif en excès" ?

Cela signifie qu'il y a plus de ce réactif que ce qui est stœchiométriquement nécessaire pour faire réagir complètement l'autre réactif (appelé réactif limitant). Dans notre cas, il y a assez d'O₂ pour que les 32 g de CH₄ brûlent entièrement. Le calcul des produits dépend donc uniquement de la quantité de CH₄.

Résultat Final
Il faut 128 g de O₂. La réaction produit 88 g de CO₂ et 72 g de H₂O.
A vous de jouer

Pour la combustion complète de 46 g d'éthanol (\( \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \), M=46 g/mol), quelle masse de CO₂ (M=44 g/mol) est produite ? Équation : \( \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{CO}_2 + 3\text{H}_2\text{O} \). Réponse : 88 g.

Question 5 : Calculer l'enthalpie standard de la réaction

Principe

L'enthalpie standard de réaction (\( \Delta H^\circ_{\text{réaction}} \)) représente la chaleur échangée lors d'une réaction réalisée dans les conditions standards. On la calcule en utilisant la loi de Hess, qui stipule que l'on peut trouver cette valeur en faisant la différence entre la somme des enthalpies de formation des produits et celle des réactifs, chacune pondérée par son coefficient stœchiométrique.

Mini-Cours

L'enthalpie standard de formation (\( \Delta H^\circ_f \)) d'un composé est la variation d'enthalpie lors de la formation d'une mole de ce composé à partir de ses corps simples constituants, dans leur état standard. C'est une mesure de la "stabilité énergétique" d'une molécule par rapport à ses éléments de base.

Remarque Pédagogique

Organisez bien votre calcul : écrivez d'abord la somme pour les produits, puis la somme pour les réactifs, avant de faire la soustraction finale. Cela minimise les erreurs de signe, qui sont très fréquentes dans ce type de calcul.

Normes

Les conditions standards en thermochimie sont définies par l'UICPA : une pression de 1 bar (très proche de 1 atm) et une température spécifiée, généralement 25 °C (298.15 K). Les enthalpies standards de formation (\( \Delta H^\circ_f \)) sont tabulées pour ces conditions.

Formule(s)

Loi de Hess appliquée aux enthalpies de formation

\[ \Delta H^\circ_{\text{réaction}} = \sum (n_p \cdot \Delta H^\circ_{f, \text{produits}}) - \sum (n_r \cdot \Delta H^\circ_{f, \text{réactifs}}) \]
Hypothèses

On suppose que la réaction est effectuée dans les conditions standards (1 bar, 298.15 K) et que les produits et réactifs sont dans leur état standard spécifié (gazeux ou liquide).

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Enthalpie de formation de CH₄\(\Delta H^\circ_f(\text{CH}_4)\)-74.8kJ/mol
Enthalpie de formation de CO₂\(\Delta H^\circ_f(\text{CO}_2)\)-393.5kJ/mol
Enthalpie de formation de H₂O\(\Delta H^\circ_f(\text{H}_2\text{O})\)-285.8kJ/mol
Enthalpie de formation de O₂\(\Delta H^\circ_f(\text{O}_2)\)0kJ/mol
Astuces

Rappelez-vous toujours que l'enthalpie de formation d'un corps simple dans son état standard (comme O₂(g), N₂(g), C(graphite), Na(s)...) est nulle par convention. Cela simplifie souvent le calcul du côté des réactifs.

Schéma (Avant les calculs)
Cycle de Hess
Réactifs (CH₄ + 2O₂)Produits (CO₂ + 2H₂O)Σ ΔH°f (réactifs)Σ ΔH°f (produits)Éléments (C(s) + 2H₂(g) + 2O₂(g))ΔH°réaction ?ΔH°réaction ?
Calcul(s)

Étape 1 : Somme des enthalpies de formation des produits

\[ \begin{aligned} \sum \Delta H^\circ_{f, \text{produits}} &= (1 \cdot \Delta H^\circ_f(\text{CO}_2)) + (2 \cdot \Delta H^\circ_f(\text{H}_2\text{O})) \\ &= (1 \cdot (-393.5)) + (2 \cdot (-285.8)) \\ &= -393.5 - 571.6 \\ &= -965.1 \text{ kJ/mol} \end{aligned} \]

Étape 2 : Somme des enthalpies de formation des réactifs

\[ \begin{aligned} \sum \Delta H^\circ_{f, \text{réactifs}} &= (1 \cdot \Delta H^\circ_f(\text{CH}_4)) + (2 \cdot \Delta H^\circ_f(\text{O}_2)) \\ &= (1 \cdot (-74.8)) + (2 \cdot 0) \\ &= -74.8 \text{ kJ/mol} \end{aligned} \]

Étape 3 : Calcul de l'enthalpie de réaction

\[ \begin{aligned} \Delta H^\circ_{\text{réaction}} &= (-965.1) - (-74.8) \\ &= -965.1 + 74.8 \\ &= -890.3 \text{ kJ/mol} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Diagramme d'Enthalpie
Réactifs (CH₄ + 2O₂)Produits (CO₂ + 2H₂O)ΔH° = -890.3 kJ(Énergie libérée)Enthalpie (H)
Réflexions

Un signe négatif (\( \Delta H^\circ < 0 \)) signifie que la réaction est exothermique : elle libère de l'énergie dans l'environnement, généralement sous forme de chaleur. Une valeur de -890.3 kJ/mol est une quantité d'énergie considérable, ce qui explique pourquoi le méthane est un excellent combustible.

Points de vigilance

Trois erreurs classiques : 1) Oublier les coefficients stœchiométriques. 2) Inverser la formule (réactifs - produits). 3) Se tromper dans les signes lors du calcul final, surtout avec le double négatif ( - (-74.8) ).

Points à retenir

L'enthalpie de réaction est la différence entre l'énergie "contenue" dans les produits et celle "contenue" dans les réactifs. La formule "Produits MOINS Réactifs" est fondamentale.

Le saviez-vous ?

L'énergie libérée par la combustion d'un seul gramme de méthane est d'environ 55 kJ, soit assez pour chauffer un litre d'eau d'environ 13°C ! C'est ce qu'on appelle le pouvoir calorifique du combustible.

FAQ

Pourquoi l'enthalpie de formation de O₂(g) est-elle zéro ?

Par convention, l'enthalpie standard de formation d'un corps simple pur dans son état le plus stable (son état standard de référence) à 298.15 K est nulle. Pour l'oxygène, son état le plus stable est la forme gazeuse diatomique (O₂).

Résultat Final
L'enthalpie standard de la réaction de combustion d'une mole de méthane est de -890.3 kJ/mol.
A vous de jouer

Quelle est l'énergie totale libérée par la combustion des 32 g de méthane de l'énoncé (soit 2.0 mol) ?


Outil Interactif : Simulateur de Combustion

Utilisez le curseur pour faire varier la masse de méthane brûlée et observez en temps réel la masse de dioxygène requise et l'énergie totale libérée par la réaction.

Paramètres d'Entrée
32 g
Résultats Clés
Masse de Dioxygène (O₂) requise -
Énergie Totale Libérée -

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Quels sont les produits de la combustion COMPLÈTE d'un hydrocarbure comme le méthane ?

2. Dans l'équation équilibrée \( \text{CH}_4 + 2 \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2 \text{H}_2\text{O} \), combien de moles de dioxygène sont nécessaires pour brûler 3 moles de méthane ?

3. Le signe de l'enthalpie de réaction (\( \Delta H^\circ_{\text{réaction}} \)) pour la combustion est négatif. Qu'est-ce que cela signifie ?

4. Si on brûle 16 g de méthane (CH₄), quelle masse de dioxyde de carbone (CO₂) produit-on ? (M(CH₄)=16 g/mol, M(CO₂)=44 g/mol)

5. Que stipule la loi de conservation de la masse dans le contexte d'une réaction chimique ?


Combustion
Une réaction chimique rapide d'une substance avec un oxydant, habituellement le dioxygène, pour produire de la chaleur et de la lumière.
Enthalpie de Réaction (\( \Delta H^\circ_{\text{réaction}} \))
La quantité de chaleur libérée ou absorbée par une réaction chimique effectuée à pression constante.
Stœchiométrie
Le domaine de la chimie qui étudie les relations quantitatives (masse, moles, volume) entre les réactifs et les produits dans une réaction chimique.
Exercice d'Application : Combustion du Méthane (CH₄)

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