Énergétique chimique

Dans chaque réaction chimique, l'énergie est transférée. La réaction est soit exothermique soit endothermique, selon le sens du transfert d'énergie.

• Une réaction exothermique 放热反应 dégage de l'énergie thermique 热能 vers l'environnement 环境. Donc la température de l'environnement monte en ligne.
• Une réaction endothermique 吸热反应 absorbe de l'énergie thermique de l'environnement. Donc la température de l'environnement descend vers le bas.

Des exemples de réactions exothermiques sont la combustion 燃烧 (brûler un carburant) et la neutralisation 中和 (un acide réagissant avec une base). Un exemple de réaction endothermique est la décomposition thermique 分解 d'un composé (le briser en utilisant la chaleur).

La quantité d'énergie thermique transférée dans une réaction est appelée la variation d'enthalpie 焓变. Elle est écrite comme $\Delta H$ et a ces signes :

• $\Delta H$ est négatif pour une réaction exothermique, car l'énergie quitte les produits chimiques.
• $\Delta H$ est positif pour une réaction endothermique, car l'énergie est absorbée.

Les particules ne réagissent pas à chaque fois qu'elles se rencontrent. L'énergie d'activation 活化能 ($E_a$) est la plus petite quantité d'énergie que les particules 粒子 en collision 碰撞 doivent avoir avant de pouvoir réagir. C'est comme une colline que les particules doivent franchir avant que la réaction ne puisse avoir lieu.

Un diagramme de voie de réaction 反应进程图 montre comment l'énergie change au fur et à mesure qu'une réaction se produit. L'énergie est sur l'axe vertical, et la progression de la réaction est sur l'axe horizontal.

• La ligne commence au niveau d'énergie des réactifs 反应物.
• Elle monte sur une 'colline' — la hauteur de cette colline est l'énergie d'activation $E_a$.
• Elle descend ensuite ou monte jusqu'au niveau d'énergie des produits 生成物.
• L'écart entre le niveau des réactifs et le niveau des produits est la variation d'enthalpie $\Delta H$.

Pour une réaction exothermique, les produits sont plus bas que les réactifs, donc l'énergie est libérée et $\Delta H$ est négatif.

Pour une réaction endothermique, les produits sont plus hauts que les réactifs, donc l'énergie est absorbée et $\Delta H$ est positif.

Une réaction implique la rupture des liaisons dans les réactifs et la formation de nouvelles liaisons dans les produits.

• Rupture de liaison 断键 absorbe de l'énergie, donc c'est une étape endothermique.
• Formation de liaison 成键 libère de l'énergie, donc c'est une étape exothermique.

L'énergie de liaison 键能 est l'énergie nécessaire pour rompre une mole d'une liaison particulière. Vous pouvez utiliser les énergies de liaison pour trouver la variation d'enthalpie :

Si plus d'énergie est libérée lors de la formation de liaisons qu'elle n'est absorbée lors de la rupture de liaisons, la réaction est exothermique ($\Delta H$ négatif). Si moins d'énergie est libérée, elle est endothermique ($\Delta H$ positif).

Exemple résolu

Pour la réaction $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$, utilisez ces énergies de liaison (en kJ/mol) : H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

Liaisons rompues : une H–H et une Cl–Cl $= 436 + 242 = 678$.

Liaisons formées : deux H–Cl $= 2 \times 431 = 862$.

La réponse est négative, donc cette réaction est exothermique.

• Exothermique libère de la chaleur, donc l'environnement se réchauffe et $\Delta H$ est négatif ; endothermique absorbe de la chaleur, donc l'environnement refroidit et $\Delta H$ est positif.
• Rupture de liaison absorbe de l'énergie (endothermique) ; formation de liaison libère de l'énergie (exothermique). Utilisez $\Delta H = (\text{energy to break bonds}) - (\text{energy released making bonds})$.
• Si plus d'énergie est libérée lors de la formation de liaisons qu'elle n'est utilisée pour les rompre, la réaction est exothermique. Vérifiez toujours le signe de votre réponse finale.
• Sur un diagramme de voie réactionnelle, une réaction exothermique se termine plus bas qu'elle ne commence ; une endothermique se termine plus haut. La hauteur de la colline est l'énergie d'activation.