Variations d'énergie

Un chauffe-main réchauffe son environnement ; une pack froid instantané le refroidit. Dans les deux cas, l'énergie est conservée. Suivre où l'énergie se déplace, puis décider si les preuves soutiennent l'usage prévu du produit. Ce chapitre couvre les sections AQA Chimie 8462 4.5.1.1–4.5.2.2. Les calculs par énergie de liaison sont Niveau supérieur ; les piles et les piles à combustible sont chimie uniquement, avec les demi-équations de pile à combustible Niveau supérieur.

Une réaction exothermique transfère l'énergie des réactifs vers l'environnement. L'environnement se réchauffe, et les produits ont moins d'énergie que les réactifs de la quantité transférée. La combustion, de nombreuses réactions d'oxydation et la neutralisation en sont des exemples. Les chauffe-mains et les canettes auto-réchauffantes utilisent des changements exothermiques.

Une réaction endothermique absorbe l'énergie de l'environnement. L'environnement se refroidit ; les produits ont plus d'énergie que les réactifs. La décomposition thermique et la réaction de l'acide citrique avec le bicarbonate de sodium en sont des exemples. Certains packs pour traumatismes sportifs utilisent des changements endothermiques. Une baisse de température seule ne prouve pas la formation d'une nouvelle substance : les processus physiques comme la dissolution peuvent aussi changer la température.

Exemple de température résolu. Un mélange réactionnel passe de 21.0 °C à 15.5 °C sans chauffage ni refroidissement externe. Variation de température = finale − initiale = 15.5 − 21.0 = −5.5 °C. Le mélange s'est refroidi, ce qui soutient une interprétation endothermique : les réactifs ont absorbé de l'énergie depuis l'environnement. Un thermomètre mesure la température, pas directement le changement énergétique de la réaction. Aucun calcul de l'énergie de la solution ou de ΔH n'est requis ici.

Évaluer un usage avec des preuves. Un chauffe-main doit atteindre une température adaptée pendant assez longtemps sans fuir ou surchauffer. Un pack froid instantané doit refroidir suffisamment, être disponible au moment opportun et limiter les déchets. Comparer les informations données sur la température, la durée, le stockage, le coût et la réutilisation. Qu'un changement chimique soit exothermique ne rend pas automatiquement un chauffe-main efficace. Une batterie rechargeable et une pile à hydrogène nécessiteront ultérieurement une comparaison similaire basée sur l'usage.

Pratique requise 4 : changements de température dans des solutions réactionnelles. Choisir une variable, par exemple le volume total d'alcali ajouté à un volume fixe d'acide. Utiliser des solutions approuvées par l'enseignant, des protections oculaires et une tasse isolée supportée sûrement dans un bécher. Mesurer la température initiale ; ajouter un volume mesuré d'alcali, remplacer le couvercle, agiter doucement et enregistrer la température maximale. Ajouter des portions mesurées successives et noter le volume total ajouté et la température. Conserver le volume initial d'acide, les concentrations, les températures de départ, la tasse et la méthode de lecture comparables. Répéter l'enquête avec des solutions initiales fraîches et calculer les moyennes pour les volumes correspondants.

Tracer la température en fonction du volume total ajouté. Une augmentation suivie d'une diminution peut localiser un maximum ; utiliser des lignes de tendance appropriées sur les deux régions pour estimer leur intersection entre les relevés. Ne pas qualifier le point mesuré le plus élevé comme une extrémité exacte. L'isolation et le couvercle réduisent les échanges de chaleur, mais ne l'éliminent pas. Enregistrer les observations réelles et le matériel lors des travaux pratiques sous supervision ; cette méthode écrite ne remplace pas ce travail. D'autres comparaisons RP4 peuvent utiliser des acides avec des métaux/carbonates ou des réactions de déplacement.

Un profil de réaction montre les énergies relatives des réactifs et des produits au fur et à mesure que la réaction progresse. Son axe horizontal est la progression de la réaction, pas le temps. Les particules doivent entrer en collision avec assez d'énergie pour réagir. L'énergie d'activation est l'énergie minimale nécessaire aux particules pour qu'une réaction se produise.

Tracez des axes étiquetés, puis séparez les niveaux des réactifs et des produits. Reliez-les par une courbe lisse s'élevant au-dessus de ces deux niveaux. Tracez la flèche de l'énergie d'activation depuis le niveau des réactifs vers le sommet ; tracez la flèche du changement global entre les niveaux des réactifs et des produits. Les produits exothermiques sont plus bas ; les produits endothermiques sont plus hauts. Une réaction endothermique possède tout de même une barrière d'activation. Un catalyseur fournit un chemin avec une énergie d'activation moindre ; les niveaux des réactifs/produits et le changement global restent inchangés.

Lecture de profil corrigée. Sur une échelle relative fournie, les réactifs sont à 40, le sommet à 110 et les produits à 15. L'énergie d'activation est 110 − 40 = 70 unités relatives. Le changement global est 15 − 40 = −25 unités relatives : la réaction est exothermique. Utiliser le sommet comme niveau de départ pour le changement global confondrait les deux flèches. Ces lectures de profil sont illustratives et ne constituent pas un calcul de calorimétrie en solution.

Une énergie de liaison donne l'énergie nécessaire pour briser une mole des liaisons spécifiées dans le modèle fourni. Briser les liaisons des réactifs nécessite de l'énergie ; former les liaisons des produits libère de l'énergie. Utilisez l'équation équilibrée pour compter les liaisons avant de calculer. Un coefficient multiplie toutes les liaisons de cette molécule. Utilisez une valeur de double liaison fournie une fois pour chaque double liaison.

Pour une réaction exothermique, la formation libère plus que ce que la rupture nécessite, donc le résultat est négatif. Pour une réaction endothermique, la rupture nécessite plus que ce que la formation libère, donc le résultat est positif. La formation de liaisons libère de l'énergie même dans une réaction endothermique ; elle libère simplement moins que ce qui a été nécessaire pour briser les liaisons des réactifs.

Exemple corrigé de comptage de liaisons. Pour $\mathrm{2H_2+O_2\rightarrow2H_2O}$, utilisez H–H = 436, O=O = 498 et O–H = 464 kJ/mol. Brisez deux liaisons H–H et une liaison O=O ; formez quatre liaisons O–H.

La réaction est exothermique pour les quantités représentées par l'équation équilibrée. Les énergies de liaison fournies donnent un modèle approximatif ; n'utilisez pas la pratique du thermomètre pour inférer ce nombre sans autre modèle.

Une pile contient des substances chimiques qui réagissent pour produire de l'électricité. Une pile simple utilise deux électrodes métalliques différentes dans un électrolyte, connectées via un circuit externe. Les ions transportent la charge dans l'électrolyte ; les électrons se déplacent dans le fil. Mesurez la différence de potentiel avec un voltmètre. La tension dépend des électrodes, de l'électrolyte et des conditions. Utilisez les relevés fournis pour comparer des piles particulières ; la seule réactivité d'un métal ne fixe pas une tension universelle.

Pour une comparaison contrôlée, modifiez une seule électrode tout en conservant l'autre électrode, l'électrolyte et les conditions de mesure comparables. Par exemple, si un tableau fourni indique Zn/Cu = 1.10 V et Fe/Cu = 0.78 V dans le même électrolyte, Zn/Cu donne la plus grande tension dans ces conditions. Changer l'électrolyte est un autre facteur, ce qui empêcherait d'attribuer une différence uniquement au métal.

Une batterie comporte deux ou plusieurs piles connectées en série pour fournir une tension plus élevée lorsque leurs orientations se renforcent mutuellement. Trois piles identiques de 1.2 V connectées ainsi donnent 3 × 1.2 = 3.6 V dans le modèle idéal indiqué. Ne connectez pas directement les bornes ensemble ; le travail scolaire réel nécessite du matériel et des procédures approuvés.

Dans une pile non rechargeable, la réaction s'arrête lorsqu'un réactif est consommé. Les piles alcalines sont l'exemple spécifié. Dans une pile rechargeable, l'application d'un courant électrique externe inverse les réactions chimiques. La charge transfère de l'énergie dans la pile ; elle ne crée pas d'énergie. N'essayez jamais de recharger une pile non rechargeable. Évaluez un appareil en utilisant le coût d'achat donné, le nombre d'utilisations, l'accès à la charge, les déchets, la masse et les performances. Plus d'utilisations peuvent compenser un coût initial plus élevé, mais cela ne prouve pas automatiquement l'impact environnemental le plus faible.

Une pile à combustible reçoit du carburant et de l'oxygène ou de l'air d'une source externe. L'hydrogène est oxydé électrochimiquement, produisant une différence de potentiel ; la réaction globale hydrogène-oxygène produit de l'eau :

La pile peut continuer à fonctionner tant que des approvisionsnements appropriés persistent. L'eau est le produit direct de la réaction. La production, le transport et le stockage de l'hydrogène peuvent avoir d'autres effets environnementaux, donc cette équation ne prouve pas des émissions nulles sur l'ensemble du cycle de vie. Un véhicule à batterie rechargeable et un véhicule à pile à combustible hydrogène peuvent tous deux ne produire aucun exhaust polluant au niveau du véhicule. Utilisez les données fournies sur le temps de ravitaillement/charge, l'autonomie, la masse, l'infrastructure, la production de carburant et le coût pour choisir pour un usage spécifique. Ne prétendez pas qu'une pile à combustible est toujours plus propre ou moins chère.

Niveau supérieur : un modèle cohérent d'équation demi-ionique acide. À l'électrode négative, l'anode, l'hydrogène perd des électrons et est oxydé. À l'électrode positive, la cathode, l'oxygène gagne des électrons et est réduit. Les électrons circulent dans le circuit externe de l'électrode d'hydrogène vers l'électrode d'oxygène.

Chaque ligne conserve les atomes et la charge. En les additionnant, on annule quatre électrons et quatre ions hydrogène, laissant l'équation globale ci-dessus. Ces signes décrivent une pile fournissant de l'électricité ; ne copiez pas les signes d'électrode de l'électrolyse alimentée par une source externe. Un modèle alcalin est également possible, mais ne mélangez pas ses équations d'hydroxyde avec cette paire acide. Utilisez du matériel éducatif approuvé ou des observations fournies ; cette leçon ne nécessite pas de stockage de gaz improvisé.

Classifiez une variation de température à partir des preuves et expliquez le transfert d'énergie. Évaluez un design donné de pack chaud/froid. Planifiez et interprétez l'expérience RP4 sur la température. Tracez les deux profils de réaction lisses avec des flèches distinctes. Pour HT, comptez les liaisons avant de soustraire (liens rompus moins liens formés). Pour la chimie uniquement, interprétez les données de cellule, expliquez les piles en série et la rechargeabilité, et comparez les piles à combustible hydrogène aux piles rechargeables en utilisant une limite d'évidence donnée. Pour les piles à combustible HT, équilibrez les deux demi-équations et annulez les nombres d'électrons égaux.