Réaction chimique
AUTEUR (date) : transformation au cours de laquelle les réactifs réagissent pour former des produits, modifiant la composition du système. Elle implique une transformation de la matière, avec échange d’énergie et de particules.
Réactifs
Les substances initiales qui participent à la réaction chimique. Leur composition diminue au cours de la réaction.
Produits
Les substances formées à l’issue de la réaction chimique. Leur composition augmente lors de la transformation.
Tableau d’avancement
Outil permettant de suivre l’évolution de la réaction en quantités de matière. Il relie la variation des quantités de réactifs et produits à un paramètre appelé « avancement » (ξ).
Échange d’énergie
Interaction énergétique lors d’une réaction chimique, qui peut se manifester par un transfert de chaleur ou de travail. La thermodynamique permet de prévoir si la réaction libère ou nécessite de l’énergie.
Transformation chimique
Processus au cours duquel la composition du système change, impliquant la conversion de réactifs en produits et des échanges énergétiques.
Une réaction chimique modifie la composition du système par transformation des réactifs en produits. La thermodynamique permet de prévoir si cette réaction va libérer de l’énergie ou en nécessiter, ainsi que la quantité de matière échangée. Elle permet aussi de déterminer si la réaction est possible dans des conditions données, en utilisant des grandeurs telles que ΔU, ΔH, et ΔS.
La réaction chimique est une transformation fondamentale qui modifie la composition du système, tout en impliquant des échanges énergétiques. La thermodynamique permet d’en prévoir la spontanéité et l’échange de matière.
Grandeur de réaction : La grandeur de réaction est la variation d’une fonction d’état par rapport à l’avancement de la réaction à température et pression constantes. Elle traduit comment une modification de la composition chimique influence la fonction d’état du système.
Fonction d’état extensive : Une fonction d’état extensive dépend de la quantité de matière ou de la taille du système. Elle varie proportionnellement à la quantité de matière présente, comme l’enthalpie ou l’entropie.
Avancement de la réaction (ξ) : Variable qui mesure la progression d’une réaction chimique. La variation d’une fonction d’état en fonction de ξ indique l’effet de la réaction sur cette fonction, à T et P constants.
Grandeur molaire partielle : La grandeur molaire partielle d’une fonction Z associée à l’espèce i, notée 𝑍𝑖, est la dérivée de Z par rapport au nombre de moles de i, en tenant les autres variables constantes : 𝑍𝑖 = 𝜕𝑍/𝜕𝑛𝑖.
Enthalpie de réaction (∆rH) : Variation d’enthalpie associée à une réaction chimique, exprimée en J·mol⁻¹. Elle correspond à la variation d’enthalpie lorsque la réaction évolue d’un état initial à un état final.
Entropie de réaction (∆rS) : Variation d’entropie liée à la réaction, exprimée en J·mol⁻¹·K⁻¹. Elle indique le changement d’ordre ou de désordre lors de la réaction.
La grandeur de réaction est la variation d’une fonction d’état, comme l’enthalpie ou l’entropie, par rapport à l’avancement ξ, en maintenant la température et la pression constantes. La relation entre l’enthalpie de réaction (∆rH) et l’énergie interne de réaction (∆rU) inclut la contribution du gaz parfait via le terme RT ∑νi gaz, où νi gaz est le coefficient stœchiométrique de l’espèce gazeuse. En effet, pour une réaction impliquant des gaz parfaits, on a :
\Delta rH = \Delta rU + RT \sum \nu_i_{gaz}
Ce lien montre que l’énergie de réaction (∆rU) et la variation d’enthalpie (∆rH) diffèrent principalement par la contribution de la variation de volume gazeux, proportionnelle à la température, la pression et la quantité de gaz impliquée. Lorsque le système ne comporte que des phases condensées, cette contribution est négligeable, et ∆rH ≈ ∆rU.
La grandeur de réaction quantifie l’effet d’une modification de la composition chimique sur la fonction d’état, en lien avec l’énergie et l’entropie, et dépend du contexte spécifique de la réaction, notamment la présence ou non de gaz parfaits. La relation entre ∆rH et ∆rU met en évidence l’impact de la contribution volumique des gaz lors de la réaction.
État standard de référence : état d’un corps simple ou d’un système dont tous les constituants sont dans leur état d’agrégation le plus stable à une pression standard P0 et une température donnée. Cet état sert de référence pour mesurer et comparer les propriétés thermodynamiques.
Pression standard (P0 = 1 bar) : pression fixée à 1 bar (ou 100 kPa), utilisée comme référence universelle pour définir l’état standard. Elle permet de normaliser les mesures thermodynamiques.
Température standard (généralement 25°C) : température fixée à 25°C (298 K), couramment utilisée comme référence pour l’état standard. Elle facilite la comparaison des propriétés thermodynamiques à une température commune.
Corps simple dans son état standard : corps constitué d’un seul élément ou composé, pris dans son état d’agrégation le plus stable à P0 et T standard. Par exemple, le graphite pour le carbone ou un gaz rare dans son état naturel.
Stabilité thermodynamique : caractéristique d’un corps ou d’un état qui correspond à l’état d’énergie minimale, c’est-à-dire l’état le plus stable à P0 et T standard. La stabilité détermine l’état de référence pour chaque substance.
L’état standard de référence constitue une base commune pour comparer les propriétés thermodynamiques des substances, en fixant un cadre de référence uniforme à P0 et T standard.
Grandeur standard de réaction (∆rZ0) : Il s'agit de la valeur d'une grandeur thermodynamique (énergie, entropie, etc.) associée à une réaction chimique, calculée lorsque tous les réactifs et produits sont dans leur état standard. Elle est déterminée à partir des grandeurs molaires standard de chaque constituant dans leur état standard, en utilisant une combinaison linéaire selon les coefficients de l'équation bilan. La grandeur standard de réaction est une fonction d’état, ce qui signifie qu’elle ne dépend pas du chemin suivi pour la réaction, mais uniquement des états initiaux et finaux.
Enthalpie standard de réaction (∆rH0) : C’est la variation d’enthalpie associée à la réaction chimique lorsque tous les réactifs et produits sont dans leur état standard. Elle est calculée à partir des enthalpies molaires standard des constituants dans leur état standard, en utilisant la formule de la réaction à partir des enthalpies de formation standard.
Entropie standard de réaction (∆rS0) : C’est la variation d’entropie associée à la réaction dans les conditions standard. Elle se calcule à partir des entropies molaires standard des composants, en utilisant la même approche que pour l’enthalpie, en faisant une somme pondérée selon les coefficients de la réaction.
Notation exponentielle zéro (0) : La notation « 0 » indique que la grandeur est évaluée dans l’état standard, c’est-à-dire à la pression de référence (souvent 1 bar ou 1 atm) et à la température donnée (souvent 298 K). Elle sert à distinguer ces grandeurs de leurs valeurs dans d’autres conditions.
Grandeur molaire standard : C’est la valeur d’une propriété thermodynamique (enthalpie, entropie, etc.) d’un mole d’un corps dans son état standard. Elle sert de référence pour calculer les grandeurs standard de réaction, en utilisant la somme des grandeurs molaires standard pondérées par les coefficients de la réaction.
Les grandeurs standard de réaction sont calculées à partir des grandeurs molaires standard des constituants dans leur état standard. Pour les corps simples dans leur état standard, l’enthalpie standard molaire est nulle à la température donnée, ce qui simplifie certains calculs, notamment ceux impliquant des éléments dans leur forme la plus stable à cette température.
Les grandeurs standard de réaction permettent d’évaluer et de comparer les variations thermodynamiques dans des conditions normalisées, facilitant ainsi l’analyse et la prédiction du comportement des réactions chimiques dans des conditions standardisées et comparables.
Réaction standard de formation : La réaction qui consiste à former une mole d’un composé à partir des corps simples dans leur état standard. Elle permet de déterminer l’enthalpie standard de formation (∆fH0) d’un composé.
Réaction standard de combustion : La réaction correspondant à l’oxydation complète d’une mole d’un composé, produisant principalement du dioxyde de carbone (CO2), de l’eau (H2O) et de l’azote (N2) selon les conditions. Elle sert à définir l’enthalpie standard de combustion (∆combH0).
Enthalpie standard de formation (∆fH0) : La variation d’enthalpie associée à la formation d’une mole d’un composé à partir des corps simples dans leur état standard.
Enthalpie standard de combustion (∆combH0) : La variation d’enthalpie lors de la combustion complète d’une mole d’un composé, en produisant des produits de référence (CO2, H2O, N2).
Réaction fictive : Une réaction hypothétique utilisée pour illustrer ou calculer des grandeurs thermodynamiques, sans nécessairement correspondre à une transformation réelle.
La réaction standard de formation produit une mole d’un composé à partir des corps simples dans leur état standard. Par exemple, pour déterminer l’enthalpie standard de formation d’un composé, on écrit la réaction où ce composé est formé à partir de ses éléments constitutifs, tous dans leur état de référence (par exemple, C solide, O2 gazeux, H2 gazeux). La valeur de ∆fH0 est alors associée à cette réaction.
La réaction standard de combustion correspond à l’oxydation complète d’une mole de composé, produisant principalement du CO2, H2O et N2, selon les conditions. Elle permet de définir l’enthalpie standard de combustion (∆combH0), qui est une grandeur de référence pour évaluer la stabilité ou la combustibilité d’un composé.
Les réactions types de formation et de combustion sont des références fondamentales pour déterminer et comparer les grandeurs thermodynamiques des composés, en utilisant leurs enthalpies standard associées.
Cycle de Hess : Méthode permettant de calculer les grandeurs standard de réaction à partir des grandeurs de formation des composés, en utilisant des cycles de réactions interconnectées. Il repose sur la propriété que la variation d’une grandeur thermodynamique au cours d’un cycle fermé est nulle, ce qui permet d’établir des relations entre différentes réactions.
Troisième principe de la thermodynamique : Établit que l’entropie d’un corps pur dans son état de référence (souvent cristallin parfait) tend vers zéro lorsque la température approche le zéro absolu (0 K). Il permet de définir des entropies absolues, c’est-à-dire des valeurs d’entropie indépendantes d’un état de référence arbitraire.
Additif de Planck : (Non explicitement défini dans le contenu source, mais généralement connu comme la propriété que l’entropie d’un système composite est la somme des entropies de ses parties, si celles-ci sont indépendantes. Dans ce contexte, il est implicite que l’entropie est une fonction d’état additive.)
Entropie absolue : Valeur d’entropie d’un corps pur dans un état donné, calculée en utilisant le troisième principe, qui garantit que cette valeur est strictement positive sauf à 0 K pour un cristal parfait. Elle est une fonction d’état, dépendant uniquement de l’état actuel du système.
Fonction d’état : Grandeur thermodynamique dont la valeur dépend uniquement de l’état actuel du système, et non du chemin suivi pour y parvenir. L’entropie, l’enthalpie, l’énergie interne sont des exemples de fonctions d’état.
Le cycle de Hess permet de calculer les grandeurs standard de réaction à partir des grandeurs de formation des composés. Grâce au troisième principe de la thermodynamique, on peut accéder directement aux entropies molaires standard 𝑺𝟎 𝒊, 𝑻, qui sont toujours strictement positives sauf pour un cristal parfait à 0 K. La variation d’entropie standard de réaction, 𝑺𝟎 𝒓, 𝑻, s’obtient en sommant les entropies standard des produits moins celles des réactifs, en tenant compte des coefficients stœchiométriques.
L’exemple de la photosynthèse illustre ce calcul : en utilisant les entropies standard de chaque composé à 298 K, la variation d’entropie standard de réaction est déterminée par la formule :
Ce qui montre que la variation de l’entropie de réaction peut être positive, négative ou nulle, selon la réaction. La variation de l’entropie de réaction, 𝛥𝒓𝑺, influence le désordre du système : une réaction exothermique tend à diminuer le désordre, tandis qu’une réaction endothermique tend à l’augmenter. La variation de l’entropie de réaction est une fonction d’état, calculée à partir des entropies standard des composés.
Le cycle de Hess, combiné au troisième principe, permet de calculer précisément les grandeurs thermodynamiques de réaction, notamment l’entropie standard, en utilisant des grandeurs de formation. La connaissance de ces grandeurs est essentielle pour analyser l’évolution du désordre et la spontanéité des réactions.
Équation bilan : Expression mathématique représentant la conservation de la masse et de l’énergie dans une réaction chimique, généralement sous la forme σ𝑖 𝜈𝑖 𝐻𝑖 0, où 𝜈𝑖 est le coefficient stœchiométrique et 𝐻𝑖 0 la grandeur standard de formation de chaque espèce.
Combinaison linéaire de réactions : Opération consistant à additionner ou soustraire plusieurs équations bilan, en multipliant chaque réaction par un coefficient, pour obtenir une nouvelle réaction dont on connaît la grandeur de réaction, facilitant ainsi son calcul.
Propriété de fonction d’état : Caractéristique thermodynamique d’un système dont la valeur dépend uniquement de l’état actuel, et non du chemin suivi pour y parvenir. Elle permet de décomposer ou recomposer des réactions en utilisant des équations bilan.
Calcul d’enthalpie standard de combustion : Méthode consistant à déterminer la variation d’enthalpie lors de la combustion d’un composé à partir des grandeurs standard de formation et en utilisant la propriété de fonction d’état.
Calcul d’entropie standard : Détermination de la variation d’entropie lors d’une réaction en utilisant la somme pondérée des entropies standard de formation, en tenant compte de la propriété de fonction d’état.
Le cycle de Hess repose sur la combinaison linéaire d’équations bilan pour déterminer les grandeurs standard de réaction. En utilisant la propriété de fonction d’état, il est possible de décomposer une réaction complexe en plusieurs réactions plus simples dont on connaît ou l’on peut calculer facilement les grandeurs thermodynamiques. La somme algébrique pondérée des grandeurs de formation des réactifs et produits permet d’obtenir ces grandeurs standard de réaction.
Les grandeurs standard de réaction, telles que l’enthalpie ou l’entropie, sont ainsi accessibles par cette méthode, en additionnant ou soustrayant les contributions de chaque étape de réaction. La relation de Kirchhoff permet d’adapter ces calculs à différentes températures, en intégrant la capacité calorifique ou l’entropie standard en fonction de la température, sous réserve qu’il n’y ait pas de changement de phase dans la gamme de température considérée.
Le cycle de Hess exploite la propriété de fonction d’état pour décomposer et recomposer des réactions, permettant ainsi de calculer leurs grandeurs thermodynamiques à partir des grandeurs de formation. La combinaison linéaire d’équations bilan est la clé pour déterminer ces grandeurs standard, en utilisant des relations de Kirchhoff pour faire varier la température.
| Thème | Notions clés | Définitions | Relations principales | Auteur / Référence |
|---|---|---|---|---|
| Réactions chimiques | Réaction chimique | Transformation modifiant la composition du système, impliquant échange d’énergie et de particules | ΔrH = ΔrU + RT∑νi_gaz (pour gaz parfaits) | Non spécifié |
| Grandeurs de réaction | Fonction d’état de réaction | Variation d’une fonction d’état en fonction de l’avancement ξ, à T et P constants | ΔrH, ΔrS, ΔrU liés à ξ | Non spécifié |
| État standard de référence | État standard | État d’un corps ou système dans son état le plus stable à P0 et T standard | Utilisé comme référence pour mesurer propriétés thermodynamiques | Non spécifié |
| Grandeurs standard de réaction | Grandeur standard (∆rZ0) | Valeur d’une grandeur thermodynamique pour une réaction dans l’état standard | Calculée à partir des grandeurs molaires standard des constituants | Non spécifié |
Testez vos connaissances sur Introduction aux grandeurs thermodynamiques en réaction chimique avec 7 questions à choix multiples avec corrections détaillées.
1. En quoi une réaction chimique diffère-t-elle d'une transformation physique ?
2. Comment la grandeur de réaction ∆rH se compare-t-elle à l’énergie interne de réaction ∆rU dans le contexte des réactions impliquant des gaz parfaits ?
Mémorisez les concepts clés de Introduction aux grandeurs thermodynamiques en réaction chimique avec 14 flashcards interactives.
Réaction chimique — définition ?
Transformation modifiant la composition du système.
Réactifs — rôle ?
Substances initiales participant à la réaction.
Produits — rôle ?
Substances formées à l’issue de la réaction.
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