de vaporisation de l’eau T

3

^B

expérimentale ^Activité

Mesure de la chaleur latente

de vaporisation de l’eau T

STI2D

Capacités : - Utiliser l'enthalpie de changement d'état pour effectuer un bilan énergétique

- Associer un changement d'état au niveau macroscopique à l'établissement, ou à la rupture, d'interactions entre entités au niveau microscopique

Réfléchissons un peu avant de commencer…

En vous aidant du document ci-dessous, répondre aux questions suivantes : La physique de l’eau liquide

L'eau est le liquide le plus abondant à la surface de la terre. C'est un liquide dont les propriétés sont tout à fait surprenantes, à la fois comme liquide pur et comme solvant.

L'eau est un liquide très cohésif : ses températures de fusion et de vaporisation sont très élevées pour un liquide qui n'est ni ionique, ni métallique, et dont la masse molaire est faible. Ainsi, l'eau reste liquide à pression atmosphérique jusqu'à 100 °C alors que des molécules semblables comme H2S, H2Se, H2Te par exemple donnerait une température de vaporisation proche de – 80°C. Cette cohésion est en fait assurée par les liaisons hydrogène entre molécules d'eau. Ce type de liaisons entre molécules voisines, les liaisons hydrogène, se rencontre assez souvent en chimie. En effet, dès qu’une molécule possède un groupement HO, HF ou NH, des interactions azote-hydrogène, oxygène-hydrogène ou fluor-hydrogène peuvent apparaître. Ces liaisons permettent par exemple la cohésion des molécules d’ammoniac NH3 ou d’acide fluorhydrique HF mais elles sont cependant plus faibles et spatialement moins développées que pour les molécules d’eau. C’est pourquoi l’eau a également des températures de fusion et de vaporisation plus élevées que celles de l’ammoniac ou de l’acide fluorhydrique.

La cohésion de l'eau se traduit aussi par une capacité calorifique massique et une chaleur latente massique énorme. Il faut trois fois plus d'énergie pour réchauffer de l'eau que pour réchauffer la même masse de pentane et dix fois plus que pour la même masse de fer. La chaleur latente massique est aussi beaucoup plus élevée que celle de la plupart des liquides semblables (H2S, HF ou NH3 par exemple). Ces différences sont encore une fois dues aux liaisons hydrogène : il faut de l’énergie pour rompre ces liaisons et la chaleur absorbée par ces ruptures n'est pas disponible pour augmenter l'énergie cinétique des molécules, ce qui réduit l'élévation de température (ou le changement d’état).

(...) Nous découvrirons peut-être un jour que chacune des propriétés anormales de l’eau existe aussi dans un autre liquide. Cependant il est remarquable qu’un seul liquide rassemble autant d’anomalies. Il y a donc un besoin d’explication, auquel ne répondent pas les théories développées pour les liquides simples.

Quelles sont les caractéristiques qui font de l'eau un liquide surprenant ? Qu'est ce qui assure les liaisons entre les molécules d'eau ?

Expliquer en quoi ces liaisons peuvent modifier la température d'ébullition de l'eau.

«

Il faut trois fois plus d'énergie pour réchauffer de l'eau que pour réchauffer la même masse de pentane et dix fois plus que pour la même masse de fer. » Quelle est la grandeur physique caractéristique de l’eau, du pentane ou du fer dont parlent les auteurs ?

Rappeler comment on calcule l’énergie nécessaire pour chauffer 200g d’eau de 80 à 100 °C (sans la vaporiser).

Faire l’application numérique. Quelle énergie faudrait-il pour chauffer la même masse de fer liquide ? Données : ceau = 4,18.10³ kJ.kg^-1.°C^-1

Rappeler la définition de la chaleur latente de vaporisation ou enthalpie de vaporisation (massique).

Dans la suite de l’activité, on cherche à déterminer le plus précisément possible la chaleur latente de vaporisation de l’eau.

Manipulation

Introduire dans le ballon une masse d'eau distillée meau = 200 g mesurée avec précision et quelques grains de pierre ponce.

Mettre en marche le chauffe-ballon au maximum de sa puissance, relever alors la température toutes les 30 secondes à partir de 70°C jusqu’à 100°C (15 minutes maximum).

PLACER LES POINTS DIRECTEMENT SUR VOTRE FEUILLE DE PAPIER MILLIMETRE D’après La physique de l'eau liquide, B. Cabane, R. Vuilleumier, 2005.

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Légender le montage sur le dessin ci-contre.

Une fois l'ébullition bien établie, placer un récipient sec et préalablement pesé (erlenmeyer ou ballon) à la sortie du réfrigérant. Déclencher immédiatement un chronomètre pour recueillir l’eau condensée pendant 10 minutes.

Peser de nouveau le récipient contenant l’eau condensée et en déduire la masse d’eau vaporisée :

meau vap =

Exploitation des résultats

a. Détermination de la puissance de chauffe du dispositif

Déterminer, en vous aidant d’une des questions de préparation, l’énergie ΔE qu’a dû fournir le chauffe-ballon pour chauffer les 200 g d’eau de 80 à 100°C.

Déterminer, en vous aidant de la courbe tracée, la durée Δt nécessaire pour chauffer de 80 à 100°C les 200 g d’eau.

En déduire la puissance P de chauffe du dispositif de chauffage.

b. Détermination de la chaleur latente de vaporisation de l’eau

Déduire, à partir des résultats précédents, la quantité de chaleur Qvap qui a permis de vaporiser la masse d’eau meau vap en 10 minutes.

Déterminer finalement la valeur de la chaleur latente de vaporisation de l’eau Lvap. L’exprimer en kJ.kg^-1. c. Etude de la précision des résultats

La valeur tabulée de la chaleur latente de vaporisation de l'eau est Lv = 2 257 kJ.kg^-1 La valeur que vous avez obtenue est-elle compatible avec la valeur tabulée ? Calculer l'erreur relative de votre mesure.

En sciences expérimentales, il n'existe pas de mesures exactes. Celles-ci ne peuvent qu'être entachées d'erreurs plus ou moins importantes selon le protocole choisi, la précision des instruments de mesure et l'appréciation de l'opérateur. Pour limiter ces erreurs, il est possible, par exemple, de réaliser une moyenne sur un plus grand nombre d'expériences. Nous allons donc essayer de trouver une valeur plus proche de la valeur tabulée en étudiant toutes les valeurs de Lvap obtenues par le groupe.

Récupérer les valeurs des autres groupes et remplir le tableau suivant :

Groupe 1 2 3 4 5 6 7 8

Lvap (kJ.kg^-1)

Utiliser votre calculatrice pour déterminer, sur cette série de mesures : - la valeur moyenne Lvap,m

- l’écart-type σ.

Comparer la valeur moyenne Lvap,m à votre valeur Lvap puis à la valeur tabulée Lv. Commenter.

Encadrer le résultat de la série de mesures sous la forme : Lvap = Lvap,m ± 0,84.σ (l’intervalle de confiance 0,84.σ étant déterminé grâce à une loi statistique s’appliquant à une série de 8 mesures).

Conclusions

Rédiger avec le professeur une conclusion…

mrécipient vide = mrécipient +eau vap =

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