Chapitre 5. Thermochimie

(1)

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Chapitre 5. Thermochimie

Solution

( )

glace

200 11.11 mol 18

11.11 37.8 0 18 Chauffage de la glace

11.11 6010 Energie de fusion

0.2 4180 100 0 Chauffage de l'eau 11.11 40700 Energie de vaporisation 11.11 33.58 120 100 Chauffage de la vapeur n

Q

= =

=   − −

+ 

+   −

+ 

+   −

=617622 J=618 kJ

Solution

2

3 Volume molaire dans

les conditions STP

3 moles

. 24.8 3 74.4 l 0.0744 m 100000 0.0744 7440 J 7.44 kJ

N

N mol

n

V V n

W P V

=

= =  = =

= −  = −  = − = −

Solution

(2)

( ) ( ) ( ) ^{( )}

6 6 2 2 2

Pour avoir des kJ

15 15 3

6 3 6

2 2 2

8.3145 298.15 3

3265 2 3261.3 kJ/mol

1000

l g g l g

g

C H O CO H O n

U H RT n

+ → +  = − = −

 =  − 

 

  − 

 

= − − = −

Solution

( ) ( ) ( ) ^{( )}

( )

3 8

3 8 5 2 3 2 4 2 3

10 0.2267 mole 44.09562

501.5

2212.17 kJ/mol 0.2267

8.3145 298.15 3

2212.17 2219.6 kJ/mol

1000

g l

g g g

C H

comb

comb comb g

C H O CO H O n

n U

H U RT n

+ → +  = −

= =

 = − = −

  −

 =  +  = − + = −

Solution

( )

Nombre de mole d'eau dans un kg

Chauffage de la glace fondue Fusion de la glace

Energie perdue par l'eau : 0.3 4180 50 1254 627000 0 Energie gagnée par la glace :

0.15 6010 1000 4180 0 18

E

G

Q T

T

Q T

=   −

= − 

=  + −

( )

50083.3 627 0

L'énergie perdue par l'eau est gagnée par la glace.

50083.3 627 1254 627000 62700 50083.3

6.7 C 627 1254

G E

T

Q Q T T

T

 

 

 

= + 

= −  + = − −

 = − = 

+

(3)

[email protected] – 0479 281 222 - Page 3 sur 18 Solution

( ) ( )

10032

1 48 C soit 2°C/h

4.18 50 10032 18

2 . 4.44 kg

40.65 1000

v

Q Cm t t Q Cm m Q

H

=    = = = 



= = =



Solution

Vaporisation de l'eau Chauffage

Quantité d'eau

jusque 100°C à chauffer

Nombre de moles d'eau dans 1 kg

Quantité de chaleur disponible compt

450 4.18 90 40.65 1000

18 0.70 43969

mazout

m

 

 

 + 

 

 

= 

Quantité de chaleur nécessaire

e tenu du rendement.

38.52 kg

=

(4)

(5 4.18 0.389 2.5 28.57)( 25)

2811 kJ/mol 5.00

180

U H  +  −

 =  = =

Solution

( ( )) ⁽ ^{( )}⁾ ( ( ))

( ) ( ) ( )

( )

0 0 0

2 5 6 12

2 6

2 2

2 393.5 2 277.7 1262.4 80 kJ/mol 100 80 44.4 kJ/mol

180

f g f l f aq

H H CO H C H OH H C H O

Q n H

 =  +  − 

=  − +  − − − = −

= −  = −  − =

Solution

2 2

2

436 243.1

2 2 2 432.2

185.3 185.3

Pour une mole de : 92.65 kL/mol 2

H Cl HCl

H H H

Cl Cl Cl HCl H Cl

HCl

+ →

− +

− − − 

−

 − = −

(5)

( ) _{( )} _{( )} _{( )} _{( )}

( ( )) ( ( )) ( ( )) ( ( ))

( ) ( )

( ( )) ( ^{( )}) ( ^{( )}) ( ^{( )})

2 2 2

0 0 0 0 0

2

2 2

0 0 0 0 0

2 2 2

0 0 0

393.5 0 241.8 110.5 41.2 kJ/mol 213.8 130.7 188.8 197.7 42 J/mol

42 298.15

41.2 28.68 kJ/mo

1000

g g g g

f g f g f g f g

g g g g

f

a CO H O CO H

H H CO H H H CO H H O

S S CO S H S CO S H O

G H T S

+ +

 =  +  −  − 

= − + − − − − = −

 = + − −

= + − − = −

 =  −  = − −−  = −

( ) _{( )} _{( )} _{( )}

( ( )) ( ^{( )}) ( ^{( )})

( )

( ( )) ( ^{( )}) ( ^{( )})

4 10 4 6 2

0 0 0 0

4 6 2 4 10

0 0 0 0

4 6 2 4 10

l

Réaction spontanée conduisant à un équilibre. Une diminution de la température est favorable.

2 2

110 125.6 235.6 kJ/mol 278.

g g g

f g f g f g

g g g

b C H C H H

H H C H H H H C H

S S C H S H S C H

+

 =  +  − 

= − − =

 = + −

=

0 0 0

5 2 130.7 309.7 230.2 J/mol 230.2 298.15

235.6 166.97 kJ/mol

1000

Réaction non spontanée conduisant à un équilibre.

Une augmentation de la température est favorable Gf H T S

+  − =

 =  −  = −  = +

(6)

La réaction devient spontanée dès que 0 512 322 °K 49 C 1.59

G G H T S T H

S

 =

 =  −   = = = = 



Solution

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

3 2 2 2

0 0 0 0

2 2 2

2 393.5 2 285.8 2 0 874.1 484.5 kJ/mole

f CH COOH f CO f H O f O comb

CH COOH O CO H O

H H H H H

+ → +

 =  +  −  − 

=  − +  − −  + = −

Les tables donnent les entropies absolues car, en vertu du troisième principe de la thermodynamique, l’entropie d’un cristal parfait à 0°K est nulle. On calcule la variation d’entropie à partir de l’équation de formation :

( ₃ ) ( )₂ ^{( )} ( )₂

2 2 3

0 0 0 0 0

2 2

159.8 205.2 2 5.7 2 130.7 318.2 J/mol.°K

f CH COOH O C H

O C H CH COOH

S S S S S

+ + →

 =  −  −  − 

= − −  −  = −

0 0 0 318.2

. 484.5 298 389.5 kJ/mol

f f f 1000

G H T S

 =  −  = − +  = −

Autre exemple : calculer l’énergie libre de formation de l’éthanol

( )

( 2 5 ( )) ^{( )} ( )2 ( )2

2 2 2 5

0

0 0 0 0 0

0 0 0

2 3 1 2

277.7 kJ/mol Voir table

2 3 1

2

160.7 2 5.7 3 130.7 1 205.2 345.4 J/mol.°K 2

345.4

277.7 298.15 174.7 kJ/mol 1000

Les tables donnent

l

f

f f C H OH C H O

f f f

C H O C H OH H

S S S S S

G H T S

+ + →

 = −

 =  −  −  − 

= −  −  −  = −

 =  −  = − +  =

174.8 kJ/mol, ce qui confirme le calcul.

(7)

[email protected] – 0479 281 222 - Page 7 sur 18 Solution partielle

0

0 0

0 3

79888 8.3145 298.15 13

240.34 167.08 285.8 167.08 470.36 57.78 kJ/mol 58.45 56.6 70 56.6 47.55 80, 90 J/mol°K

G 57.78 80.90 298 10 79.888 kJ/mol 9.95 10

G RT C

AF BF H S

K e e

−

 −

− 

+

 = − − − + + = −

 = + + − − =

 = − −   = −

= = = 

(8)

(9)

[email protected] – 0479 281 222 - Page 9 sur 18 ( )

2

0

138.39 61

4

1 2

2 1 2

4 61

1 0

2

f) avec

115000

100 ln 138.39 8.5 10

8.315 100

1000 idem 3.8 10

3000 idem 9.6

ln 1 1

g) ln

3.8 10 ln8.5 10 8

g

n

P C C

C C

Cl Cl n

K K RT K G

RT

K K K e

K K

d K H K H

dT RT K R T T

H

•



− −

−

 =

= = −

  = − = −  = = 



   = 

   =

   

=  =  − 

 

 

 =



 

0

1 1

120.5 kJ/mol .315 100 1000

Si on prend comme intervalle de température 100, 3000 120.92 kJ/mol Note : Il est inutile de distinguer entre et , puisque est la variation d'enthalpie en

H

H H H

 −   =

 

 

  =

  

0 0

0 100

0 3000

tre état final et état initial, soit entre produits et réactifs.

121000 115000

h) 60 J/mol°K

100 121000 65400

55.6 J/mol°K 100

121000 56390

59.13 J/mol°K 100

H G

S T

S S

 −  −

 = = =

 = − =

 = + =

Solution

,1

,2

2.78 11.7

26.0625 1.2 1.04

2.48 6 26

25.93 0.38 1.51

c

c c

K

K K

 

==   ==  =

 

(10)

( )

^{1 1}¹₂ ² ⁴

KP =  =

Solution

( ) ( ) ( )

( )

2 2

Initial 2 0 0

Réaction 0.66 0.66 0.33 Final 1.34 0.66 0.33

Le volume étant de 1 l, le nombre de moles est égal à la concentration.

0.33 0.66 1.34 0.08

0.08 0.08315 273.15

g

g g g

C

n

P C

NOCl NO Cl

K

K K RT ^

+

− + +

=  =

= = ( ( +462))¹ 4.89 En supposant que la pression est en bar.

=

Solution

(11)

( ) ( )

2 2 2

Calorimètre

10 0.2174 mole 46.07

1366.83 0.2174 296.7 kJ

296 6.319 C

5 1 10 4.184 25 6.319 31.319 C

2 3 3

2 393.5 3 285.85 1366.83 277.82 kJ/mol

comb

eth

CO H O H eth

eth

H U Q

n Q

t t

H H H H H

H

  =  =

= =

= −  = −

 = = 

 + 

= + = 

 =  +  −  − 

 =  − +  − + = −

Solution

2 1

2 2 2 2

2 2

2 1

57 6 kJ/mol 59 69 kJ/mol 59 69 57 6 2 09 kJ/mol

1 902

Et donc : 0 91 2 09

HCl NaOH NaCl H O H .

ClCH COOH NaOH ClCH COONa H O H . ClCH COONa HCl ClCH COOH NaOH

H H H . . .

x . .

.

+ → +  = −

+ +

  = − +  = − =

= =

Solution

( ) ( ) ( )

0 0 0

2 2 3

Immédiat car 0 91 8 45 9 kJ/mol

f f f 2

H N H O H NH . .

 =  =   = − = −

(12)

( )

( ) ( )

3 2 2 2 2 l

3 3

2

0 0 3 285 8 2 45 9 765 6 kJ

NH O O N H O

H . . .

+ → + +

 = + +  − −  − = −

Solution

( )s ( )aq

solution glucose

Glucose Glucose

1262 4 1270 7 8 3 kJ/mol

105 1 g 5 1 0 02833 mol

180 8300 0 02833

0 54°C 15 0 54 14 46 4184 0 1051

Q H . . .

m . n . .

Q .

t . t . . C

C.m .

→

=  = − + =

= → = =

 = =  =  = − = 



Solution

( ) ( )

( )

2 5 l 2 5 g

3

1

38 6 8 31415 273 15 78 37 10 35 677 kJ/mol

g g

C H OH C H OH n

U H RT n . . . . ⁻ .

→  = +

 =  −  = − −  +  =

Solution

( ) ( )

( ) ( ) ³

1 167 08 92 75 08 kJ/mol

75 08 8 31415 273 15 25 1 10 72 6 kJ/mol

g aq g

g

HCl HCl n

H . .

U H RT n . . . ⁻ .

→  = −

 = − + = −

 =  −  = − −  +  −  = −

(13)

2 2

3

2 2 3

2 4 donc 4

donc

2 5 donc 5

4 5

615 4 415 1 366 1 276 1 5 415 1 343 9 54 kJ/m

C C H C

H Br

C Br H C C C

r

C C H C H Br C Br H C C C

CH CH C H H H

HBr H Br H

C H Br BrCH CH H H H

CH CH HB BrCH CH

H H H H H H H

. . . . .

= −

−

− − −

= − − − − −

= → +  + 

→ + 

+ + → − −  −  − 

= + → −

  =  +  +  −  −  − 

= +  + − −  − = ol

Solution

2

2 2

2 2 donc et 2

2 4 donc 2

2 2 4 donc 4 2

Pour la réaction poposée, on a alors :

+2 2 4 2

812 2 415 1 2 243

C C H C

Cl Cl

C Cl C C H C

C C H C Cl Cl C Cl C C H C

CH CH C H H H

Cl Cl H

C H Cl Cl CH CHCl H H H

H H H H H H H

.

 −

−

− − −

 − − − − −

 → +  

→ 

+ + → − −  −  − 

 =   +  −  −  − 

= +  +  .1 4 328 343 9−  − . − 2 415 1. = −357 7 kJ/mol.

(14)

0 0

0 3

0

a) 187 8 0 0 187 7 kJ/mol

109 6 130 7 205 2 226 3 J/mol.°K 187 8 226 3 298 10 120 3 kL/mol

0 spontanée 0 0 équilibre

défavorable

H . .

S . . . .

G . . .

G H , S

T G

−

 = − − − = −

 = + − − = −

 = − +   =

       

  

Les autres questions se résolvent de la même façon.

Solution

( )

3

0 2 0

0 3

0

avec 1

164 2 8 31415 298 10 166 7 kJ/mol 164 2

82 1 kJ/mol 2

2 191 6 205 2 219 9 2 148 6 kJ/mol 164 2 148 6 298 10 208 48 kJ/mol

0 spontanée; 0 et 0 com

g g

f

U H RT n n

. . .

H N O . .

S . . . .

G . . .

G H S

−

 =  −   = +

= − +   = −

 = −− =

 =  + −  =

 = − −   = −

        plète

(15)

( ) ( )

0

C'est immédiat à partir des tables.

2 174.8 2 394.4 915.4 233 kJ

G =  − +  − + =

Solution

( ) _{( )} _{( )} _{( )}

( ) _{( )} _{( )} _{( )} _{( )}

4 10 2 4 6 14

0 0

10 10.8

2 2 2

1

A partir des tables, on a : 9.6 68.4 16.3 61.7 kJ/mol 61700

ln 243.889 6.446 10 10

8.3145 298.15

2 2 2 3

Le soufre étant à l'état solide, il n'int

l

g g

s

g g g

C H C H C H

G

K G K

RT

H S SO H O S

+

 = − − + = −

= − = + =  =  =



+ +

( )

0

15 15.8

ervient pas dans la constante. On calculera un 2 228.6 300.1 2 33.4 90.3 kJ

90300

ln 43.281 6.6 10 10

8.3145 298.15

P

P P

K G

K K ⁺

 =  − + +  = −

= + =  =  =



Solution

(16)

[email protected] – 0479 281 222 - Page 16 sur 18 Chromatographie en phase liquide.

Soit : Phase 1 = chloroforme Phase 2 = eau

masse molaire de la caféine M =

1 1 1

1 2

2 2

2

Concentration Phase 1 Coefficient de partage :

Concentration Phase 2 14 4 car

1 31 K m

m .

K MV V V

m m .

MV

=

 = = = =

( )

eau Chloroforme

masse g Caféine Caféine

Départ 300 0

Partage

Equilibre 300 Concentration g/l 300

25 15

15 14 4 260 g

300 1 31

25

x x

x

. x x .

− +

−

 − =  =

Solution

(17)

[email protected] – 0479 281 222 - Page 17 sur 18 ( )

( )

5 3 2

Il est facile d'établir le tableau suivant

Total

Initial 0.53 0 0

Réaction 0.32 0.32 0.32

Final 0.21 0.32 0.32 0.85 mol Pression 0.761 1.160 1.160 3.081 bar

0.85 0.08315 273.15 2 car

PCl PCl Cl

P nRT V

+

− + +



  +

 = = ( )

2

1 1 2

50 3.081 bar 12

1.160

On déduit le : 1.768 0.761

Pour obtenir le à 350°C, il suffit d'appliquer la formule :

1 1 92000 1 1

ln ln 52.73

1.768 8.3145 250 273.15 350 273.15

P P

P

K K

K

K H K

K R T T K

=

= =

    

=  −  =  + − +  =

Solution

2 2 4

2

2 2 4

2

Partons de 1 mole de

Total

Initial 1 0

0.667 6.0 Réaction 0.8 0.4

0.333 Final 0.2 0.4 0.6 mol

Pression 0.333 0.667 1 bar

P

NO N O

NO NO N O

K = =

− +

Solution

(18)

2

2 2

0.631

6.379 mmol 98.9161

2.204 0.472

Nombre de moles à l'équilibre : 12.511 mmol

0.08315 1000 Tableau d'avancement

mmol Total

Initial 6.379 0 0

Réaction

Final 6.379 6.3

COCl

COCl CO Cl n

n PV RT COCl CO Cl

x x x

x x x +

= =

= =  =



− + +

−

2 2

79

On en déduit le nombre de moles formées : 12.511 6.379 6.132 mmol On finalise le tableau d'avancement

Total

Initial 6.379 0 0

Réaction 6.132 6.132 6.132

Final 0.247 6.132 6.132 12.511 mmol Pression

x x COCl CO Cl

+

= − =

− + +

0.04351 1.0802 1.0802 2.204 bar 1.0802

Ce qui donne le : 26.82 27

0.04351

P P

K K = =