Cohésion et transformation de la matière

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Tests
Les transformations que nous avons étudiées mettent en jeu des modifications physiques (variation de température, changement d'état…) et des réactions chimiques modifiant la structure de la matière. Quelles sont les énergies mises en jeu lors de ces transformations ?
1. Vocabulaire
Une transformation (physique ou chimique) est exothermique si elle transfère de la chaleur à son environnement ; si elle reçoit de la chaleur elle est endothermique ; si elle a lieu sans échange de chaleur elle est athermique.
2. Molécules et énergies de liaison
• Les molécules sont des « édifices stables » tandis que les atomes isolés ne le sont pas (à part les gaz nobles).
Cela signifie que le niveau d'énergie d'une molécule est inférieur à celui des atomes qui la constituent.
On appelle énergie de liaison DA-B l'énergie qu'il faut fournir, à une température donnée, pour dissocier une mole de molécules diatomiques A−B à l'état gazeux en une mole d'atomes A et une mole d'atomes B à l'état gazeux selon la réaction :
A−B(g) → A(g) + B(g)
L'énergie de liaison est une grandeur positive qui s'exprime en joules par mole (J \cdot mol−1).
Exemple : pour la molécule O2, DO=O = 496 kJ \cdot mol−1.
• Pour une molécule polyatomique, il faut rompre plusieurs liaisons pour obtenir des atomes isolés.
On appelle énergie de cohésion intramoléculaire la somme des énergies de toutes ses liaisons.
Pour la molécule d'eau, ΔEintra = 926 kJ \cdot mol−1.
L'énergie de liaison dépendant peu de la molécule, on utilisera les énergies moyennes de liaison qui sont tabulées.
Exemple : DC-H \approx 412 kJ \cdot mol−1 quelle que soit la molécule comportant une liaison C−H.
• L'ordre de grandeur des énergies de liaison et des énergies de cohésion intramoléculaire est de quelques centaines de kJ \cdot mol−1.
Test n°1Test n°2
3. Les trois états physiques de la matière
• L'état solide est un état condensé et ordonné. Un solide a une forme propre et un volume propre.
Les interactions entre molécules voisines sont fortes ; les molécules ne peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres. La distance entre deux molécules est du même ordre de grandeur que le diamètre d'une molécule.
• L'état liquide est un état condensé et désordonné. Un liquide a un volume propre mais pas de forme propre.
Les interactions entre molécules restent suffisamment fortes pour que les molécules restent proches, mais pas assez pour les maintenir dans une position donnée. La distance entre deux molécules est toujours du même ordre de grandeur que le diamètre d'une molécule.
• L'état gazeux est un état dispersé (non condensé) et désordonné. Un gaz n'a ni volume propre, ni forme propre ; il est compressible et expansible. Les interactions entre molécules sont faibles. La distance entre deux molécules est d'environ 10 fois le diamètre d'une molécule.
Test n°3Test n°4
4. Les changements d'état physiques
• Le changement d'état d'un corps pur se fait, pour une pression donnée, à température donnée et constante : la température n'évolue pas tant que les deux états sont simultanément présents (palier de température).
La fusion, la vaporisation, la sublimation nécessitent un apport de chaleur : ce sont des processus endothermiques.
Au contraire la solidification, la liquéfaction, la condensation à l'état solide libèrent de la chaleur : ce sont des processus exothermiques.
• L'énergie de cohésion intermoléculaire est l'énergie qu'il faut fournir à une mole de corps pur solide (ou liquide) pour l'amener à l'état gazeux.
Exemples :
énergie de cohésion de l'eau solide : ΔEsolide = 54 kJ \cdot mol−1 ;
énergie de cohésion de l'eau liquide : ΔEliquide = 41 kJ \cdot mol−1.
On constate que l'ordre de grandeur des énergies de cohésion intermoléculaire est de quelques dizaines de kJ \cdot mol−1 seulement, bien inférieure aux énergies de cohésion intramoléculaire ; c'est pourquoi lors d'un changement d'état les molécules ne sont pas dissociées en atomes…
Test n°5Test n°6
5. Les réactions chimiques
• Au cours d'une réaction chimique l'énergie interne du système est modifiée : il se produit des ruptures de liaisons (qui consomment de l'énergie) et des formations de liaisons (qui libèrent de l'énergie).
On peut donc déterminer la variation d'énergie interne U au cours d'une réaction mettant en jeu une mole d'espèces à l'état gazeux à partir des énergies des liaisons rompues et formées :
{\Delta U = \sum D \left( {{\rm{liaisons}}\;{\rm{rompues}}} \right) - \sum D \left( {{\rm{liaisons}}\;{\rm{form\acute{e}es}}} \right)}
• Considérons, par exemple, la combustion du méthane :
{{\rm{CH}}_{4\left( {\rm{g}} \right)} + 2{\rm{O}}_{2\left( {\rm{g}} \right)} \to {\rm{CO}}_{2\left( {\rm{g}} \right)} + 2{\rm{H}}_2 {\rm{O}}_{\left( {\rm{g}} \right)} }
Pour effectuer cette réaction sur une mole de molécules de méthane, il faut :
  • rompre 4 moles de liaisons C−H ;
  • rompre 2 moles de liaisons O=O ;
  • former 2 moles de liaisons C=O (2 liaisons par molécule) ;
  • former 4 moles de liaisons O−H (2 liaisons par molécule).
On connaît DC-H = 412 kJ \cdot mol−1 ; DO=O = 496 kJ \cdot mol−1 ; DC=O = 804 kJ \cdot mol−1 ; DO-H = 463 kJ \cdot mol−1.
La variation d'énergie interne du système lors de cette transformation vaut donc :
ΔU = (4 DC-H + 2 DO=O) − (2 DC=O + 4 DO-H)
ΔU = (4 × 412 + 2 × 496) − (2 × 804 + 4 × 463)
ΔU = −820 kJ \cdot mol−1.
On constate que l'énergie interne du système diminue (ΔU < 0) car il transfère de l'énergie à son environnement sous forme de chaleur : la combustion du méthane est une réaction exothermique (comme toutes les combustions).
Test n°7
À retenir
• On appelle énergie de liaison DA-B l'énergie qu'il faut fournir, à une température donnée, pour dissocier une mole de molécules diatomiques A−B à l'état gazeux en une mole d'atomes A et une mole d'atomes B à l'état gazeux selon la réaction : A−B(g) → A(g) + B(g).
• On appelle énergie de cohésion intramoléculaire la somme des énergies de liaisons de toutes les liaisons d'une molécule polyatomique.
• L'énergie de cohésion intermoléculaire est l'énergie qu'il faut fournir à une mole de corps pur solide (ou liquide) pour l'amener à l'état gazeux.
• L'ordre de grandeur des énergies de liaison et des énergies de cohésion intramoléculaire est de quelques centaines de kJ \cdot mol−1.
Celui des énergies de liaisons intermoléculaire est de quelques dizaines de kJ \cdot mol−1 seulement.
• La variation d'énergie interne U au cours d'une réaction mettant en jeu une mole d'espèces à l'état gazeux dépend des énergies des liaisons rompues et formées :
{\Delta U = \sum D \left( {{\rm{liaisons}}\;{\rm{rompues}}} \right) - \sum D \left( {{\rm{liaisons}}\;{\rm{form\acute{e}es}}} \right)}
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