Thermochimie 1
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EXERCICES Thermochimie 1 - révisions ThCh11 Enthalpies standard à différentes températures 1 On donne à 25°C pour la réaction : CO + 2 O2 ----> CO2 : ΔrH° : enthalpie molaire standard de réaction = 284,3 kJ.mol-1. Déterminer ΔrH°(200K). Données : valeurs des chaleurs molaires partielles à pression constante des différents constituants (en JK-1mol-1): pour CO : 29,31 + 3,07.10-3T pour O2 : 30,0 + 4,2.10-3T pour CO2 : 44,22 + 8,79.10-3T ΔH°f2 : enthalpie molaire standard de formation de CO2 gaz = -393,5 kJ.mol-1. ThCh12 Température de flamme adiabatique Déterminer la température maximale théorique de la combustion isobare de C2H2 dans l’air selon la réaction : 5 C2H2 (g) + 2 O2 (g) ----> 2 CO2 (g) + H2O (g) en supposant que l’on parte des proportions stœchiométriques. On supposera la combustion suffisamment rapide pour qu’elle puisse être considérée comme adiabatique. Données à 298 K : 5 - enthalpie standard de la réaction C2H2(g)+ 2 O2(g) ---> 2 CO2(g) + H2O(l): ΔrH° = -402 kJ.mol-1. - capacités calorifiques standard (J.K-1.mol-1) : Cp(CO2(g)) = 37,1 ; Cp(H2O(g)) = 33,6 ; Cp(H2O(l)) = 75,47. - chaleur latente de vaporisation de l’eau à 373 K : 40,7 kJ.mol-1. ThCh13 Température de flamme adiabatique (2) On considère la réaction d’oxydation, en phase gazeuse, de l’ammoniac en mmonoxyde d’azote selon : 5 2NH3 (g) + 2 O2 (g) = 2NO (g) + 3H2O (g) 1°) Calculer l’enthalpie standard de réaction à 298K. 2°) Cette réaction se déroule dans une enceinte adiabatique, sous une pression constante de 5 bar ; le mélange initial stœchiométrique est introduit à 298K. Calculer la température atteinte en fin de réaction. Données : ΔfH° (kJ.mol-1) à 298K : NH3(g) : -46,19 ; H2O(g) : -241,83 ; NO(g) : 90,37. capacités calorifiques standard (J.K-1.mol-1) Cp° : gaz diatomiques : 27,2 + 0,004T ; H2O(g) : 34,3 + 0,008T. Réponses : 1°) ΔrH° = - 452,37 kJ.mol-1 2°) Tf = 2531 K. ThCh14 Température d’explosion Dans un calorimètre supposé parfait, indilatable et très solide de volume V = 500 cm3, on enferme à T = 298K et sous une pression de 1 bar, un mélange équimolaire de CO et de O2. Une étincelle provoque l’explosion. Déterminer la température finale dans le calorimètre. Données à 298 K : - enthalpie standard de la réaction de combustion de CO : ΔrH° = -228,9 kJ.mol-1. - capacités calorifiques standard à volume constant (J.K-1.mol-1) : Cv(CO2(g)) = 23,83 ; Cv(O2(g)) = 19,69. - chaleur latente de vaporisation de l’eau à 373 K : 40,7 kJ.mol-1. ThCh15 Loi de Hess Déterminer à 298K l’enthalpie standard de la réaction (1) : (1) N2O4(g) + N2H4(l) = 2N2(g) + 2H2O(g) connaissant les enthalpies standard de réaction, à 298K, des réactions suivantes : (2) NH3(g) = 1/2N2(g) + 3/2H2(g) : Δr2H° = 46,19 kJ.mol-1 (3) N2O4(g) = 2NO2(g) : Δr3H° = 58,04 kJ.mol-1 (4) 2NH3(g) = N2H4(l) + H2(g) : Δr4H° = 142,80 kJ.mol-1 (5) 2NO2(g) + 2H2(g) = N2(g) + 2H2O(g) : Δr5H° = -551,36 kJ.mol-1 Réponse : : ΔrH1° = -543,74 kJ.mol-1 ThCh16 Cycles enthalpiques ou diagrammes de Hess I) On donne l’équation de réaction de chauffage du carbonate de calcium : CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g) Déterminer l’enthalpie standard, l’entropie standard et l’enthalpie libre standard de cette réaction à 298K Données : ΔfH°(kJmol-1) Si° (JK -1mol-1) CO2(g) -394 214 CaO(s) -634 40 CaCO3(s) -1207 90 II) On donne à 25°C : ΔH°f1 : enthalpie molaire standard de formation de H2O gaz = -241,8 kJ.mol-1. ΔH°f2 : enthalpie molaire standard de formation de CO2 gaz = -393,5 kJ.mol-1. ΔH°1 : enthalpie molaire de combustion de la propanone gazeuse = -1700 kJ.mol-1. ΔH°s : enthalpie molaire standard de sublimation du carbone graphite = 716,7 kJ.mol-1. ΔH°CC : enthalpie molaire standard de la liaison C-C dans les molécules organiques = 347 kJ.mol-1. ΔH°CH : enthalpie molaire standard de la liaison C-H dans les molécules organiques = 412 kJ.mol-1. ΔH°O2 : enthalpie molaire standard de la liaison de la molécule O2 = 495,3 kJ.mol-1. ΔH°H2 : enthalpie molaire standard de la liaison de la molécule H2 = 435,2 kJ.mol-1. Calculer à 25°C : 1°) ΔH°f : enthalpie molaire standard de formation de la propanone. 2°) ΔH°CO : enthalpie molaire standard de la liaison C=O de la propanone 3°) ΔH°2 : enthalpie molaire standard de combustion de la butanone. ThCh17 Enthalpies de liaison et de combustion Connaissant les enthalpies standard de formation en kJ.mol-1 des composés suivants : méthane : CH4(g) : -74,60 acéthylène C2H2(g) : 227,40 eau H2O(l) : -285,83 éthane C2H6(g) : -84,67 carbone C(g) : 716,68 dioxyde de carbone C02(g) : -393,51 éthylène C2H4(g) : 52,40 hydrogène H(g) : 218,0 1°) Calculer les enthalpies de liaison C-H, C-C, C=C, C=C 2°) En déduire ΔfH° = f(n) de l’alcane CnH2n+2 3°) Calculer ΔrH° = f(n) pour la réaction de combustion de l’alcane CnH2n+2. Réponses : 1°) DC-H = 415,82 kJ.mol-1 ; DC-C = 331,1 kJ.mol-1 ; DC=C = 589,7 kJ.mol-1 ; DC=C = 816,3 kJ.mol-1 2°) ΔfH°(CnH2n+2) = - 9,96 n - 64,54 kJ.mol-1 3°) ΔrH° = - 669,38n - 221,29 kJ.mol-1 ThCh18 Température de flamme du méthane dans l’air Le méthane réagit dans l’air selon la réaction à 298 K : 3 CH4 + 2 O2(g) ----> 2H2O(l) + CO(g) On considère que la composition volumique de l’air est de 20% de dioxygène et de 80% de diazote. 1°) Calculer l’enthalpie molaire standard de la réaction à 298K : ΔH1°. 2°) On fait réagir, sous une pression de 1 bar, du méthane avec le volume d’air exactement nécessaire à sa disparition complète. Les réactifs sont introduits à 298 K et réagissent selon la réaction : 3 CH4 + 2 O2(g) ----> 2H2O(g) + CO(g) La réaction est supposée totale et suffisamment rapide pour pouvoir négliger les échanges de chaleur avec l’extérieur. Calculer la température théorique atteinte Tf, appelée température de flamme. Données à 298 K, sous 1 bar : Composé CH4(g) O2(g) N2(g) CO(g) H2O(l) H20(g) ΔΗf°(kJ.mol-1) -74.8 -110.5 -285.8 CP(J.mol-1.K-1) 23,65 + 47,88.10-3T 29,96 + 4,18.10-3T 27,88 + 4,27.10-3T 28,42 + 4,10.10-3T 75,47 30,01 + 10,71.10-3T Enthalpie molaire standard de vaporisation de l’eau à 373 K : ΔHv° = 40,7 kJ.mol-1. ThCh19 Détermination d’une énergie réticulaire Déterminer l’énergie réticulaire de cristal de chlorure d’argent grâce aux données fournies en kJ.mol-1 et à 298K : ΔsubH°(Ag) = 284,9 ; DCl-Cl = 243 ; ΔfH°(AgCl,c) : -127,1 ; ΔionH°(Ag) = 727 ; Eae(Cl) = 350. Réponse : Δret(AgCl) = 910,5 kJ.mol-1 ThCh110 Changement d’état et chaleur de réaction On considère la réaction de réduction de l’oxyde de magnésium par le carbone : MgO(c) + C(graph) ---> Mg + CO(g). Selon la température, le métal obtenu est solide, liquide ou gazeux. Sous la pression de 101,3 kPa, le magnésium fond à 651°C et bout à 1107°C ; les variations d’enthalpie de fusion et de vaporisation sont respectivement 8,96 et 136,0 kJ.mol-1. Déterminer la chaleur de réaction à pression constante en fonction de la température. ΔfH°(kJ.mol-1) et C°p(J.K-1.mol-1) : CO(g) : ΔfH° = -110,52 ; Cp° = 29,31 + 3,07.10-3T MgO(c) : ΔfH° = -601,83 ; Cp° = 37,42 + 0,37.10-3T C(graph) : Cp° = 11,29 + 10,87.10-3T Mg : Cp°(c) = 23,89 ; Cp°(l) = 32,51 ; Cp°(g) = 20,95. Réponses : T<Tf : ΔrH°(T) = 490,3.103 + 4,49T - 4,09.10-3 T2 (J.mol-1) Tf<T<Te : ΔrH°(T) = 491,32.103 + 13,11T - 4,09.10-3 T2 (J.mol-1) T>Te : ΔrH°(T) = 643,27.103 + 1,55T - 4,09.10-3 T2 (J.mol-1) ThCh111 Détermination expérimentale d’une enthalpie de réaction On réalise, dans un calorimètre adiabatique, la combustion d’un échantillon de méthanol liquide de masse m égale à 0,4867g. En présence d’un excès de dioxygène, la réaction est totale et fournit exclusivement du dioxyde de carbone gazeux et de l’eau liquide. La valeur initiale de la capacité calorifique à volume constant du système (c’est à dire du mélange réactionnel avant réaction et du calorimètre) est notée Cv supposée constante : Cv = 5,58.103J.K-1. Au cours de la réaction, la température de l’ensemble passe de 23,56°C à 25,54°C. Etablir l’équation-bilan de la réaction et déterminer l’enthalpie standard de combustion correspondante. Donnée : M(CH3OH) = 32,04 g.mol-1. Réponse : ΔrH° = - 728,57 kJ.mol-1