Les cours de Paul Arnaud - Exercices résolus de chimie physique

Paul Arnaud, Françoise Rouquérol, Gilberte Chambaud, Roland Lissillour

Chapter 13 APPLICATION DES PRINCIPES DE LA THERMODYNAMIQUE AUX TRANSFORMATIONS CHIMIQUES - all with Video Answers

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Chapter Questions

Problem 1

La combustion de $0,8500 \mathrm{~g}$ de méthanol liquide $\left(\mathrm{CH}_3 \mathrm{OH}\right)$ est effectuée dans une bombe calorimétrique, en présence d'un excès de dioxygène, sous une pression d'une vingtaine de bars et à $25^{\circ} \mathrm{C}$. L'eau formée se trouve à l'état liquide.
La bombe est placée dans l'eau du seau contenu dans un calorimètre adiabaPhysique). Après la combustion, la température de cette eau s'est élevée de $6,33^{\circ} \mathrm{C}$.
Dans des conditions aussi identiques que possible, on effectue la combustion de $0,9230 \mathrm{~g}$ d'acide benzoïque $\left(\mathrm{C}_6 \mathrm{H}_5 \mathrm{COOH}\right)$. La température de l'eau s'élève alors de $8,05{ }^{\circ} \mathrm{C}$.
a) Écrire l'équation stœchiométrique de la réaction de combustion du méthanol en précisant l'état des constituants.
b) Peut-on exprimer la chaleur dégagée par la combustion à l'aide d'une fonction d'état caractéristique de la substance étudiée ?
c) Calculer la chaleur dégagée par la combustion; celle-ci dépend-elle de la quantité de méthanol brûlée? Discuter du signe obtenu.
d) Calculer l'énergie molaire de combustion de l'éthanol liquide à $25^{\circ} \mathrm{C}$ ? Quelle serait la valeur de référence de cette énergie?

Elham Kordzadeh

Numerade Educator

01:16

Problem 2

Quelle est la chaleur échangée avec l'extérieur au cours de la réaction entre l'eau et le fer,
$$
3 \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+4 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})=\mathrm{Fe}_3 \mathrm{O}_4(\mathrm{~s})+4 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})
$$
effectuée à $298 \mathrm{~K}$, soit à pression constante, soit à volume constant ?
(Les données nécessaires sont disponibles dans l'Annexe I).

Ajay Singhal

Numerade Educator

01:38

Problem 3

a) Donner la définition de l'enthalpie de réaction.
b) Nous avons vu, dans l'exercice précédent [Ex. 13.1] que les résultats des mesures calorimétriques de la chaleur de réaction effectuée à volume constant, pouvaient s'exprimer en terme d'énergie de réaction. Ces mesures permettent-elles de constituer des tables de données d'enthalpies de réaction?
c) Quelle relation existe-t-il entre l'énergie de réaction et l'enthalpie de réaction? La combustion du méthanol liquide à $25^{\circ} \mathrm{C}$, étudiée précédemment [Ex. 13.1], dégage-t-elle plus de chaleur lorsqu'elle est effectuée à pression constante ou à volume constant?
d) Calculer l'enthalpie molaire de combustion de référence du méthanol liquide à $25^{\circ} \mathrm{C}$.

Lottie Adams

Numerade Educator

03:12

Problem 4

a) Écrire l'équation stæchiométrique de la réaction de formation du chlorure d'hydrogène $\mathrm{HCl}$.
Quels nombres stœchiométriques faut-il choisir pour que l'enthalpie molaire de réaction de référence corresponde à la formation d'une mole de $\mathrm{HCl}$ $\left(\Delta_{\mathrm{f}} H_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}(\mathrm{HCl})=-92,5 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}\right)$ ?
b) Que représente la réaction dont l'équation stœchiométrique s'écrit :
$$
\mathrm{H}+\mathrm{Cl}=\mathrm{HCl}
$$
et pour laquelle $\Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}(\mathrm{HCl})=-432 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$ ?
c) Retrouver la valeur de l'enthalpie molaire de réaction de référence pour la formation du chlorure d'hydrogène à partir de chlore et de dihydrogène, connaissant leurs énergies de liaison.
$\mathrm{D}(\mathrm{Cl}-\mathrm{Cl})=243 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$
$\mathrm{D}(\mathrm{H}-\mathrm{H})=436 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$
$\mathrm{D}(\mathrm{H}-\mathrm{Cl})=432 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$

Ava Perkins

Numerade Educator

01:36

Problem 5

On dit de l'acétylène $\mathrm{C}_2 \mathrm{H}_2$ (ou $\mathrm{H}-\mathrm{C} \equiv \mathrm{C}-\mathrm{H}$ ) que c'est un composé de formation endothermique, ce qui explique sa forte tendance à se décomposer de façon exothermique violente (explosive). Selon les tables thermodynamiques, son enthalpie de formation est en effet $+227 \mathrm{~kJ}^{-1} \mathrm{~mol}^{-1}$.
Mais comment un composé peut-il se former de façon endothermique, alors que toutes les enthalpies de liaison sont négatives?

David Collins

Numerade Educator

05:13

Problem 6

Calculez à $298 \mathrm{~K}$, l'enthalpie de la réaction de synthèse du méthanol dont l'équation stœchiométrique s'écrit :
$$
\mathrm{CO}(\mathrm{g})+2 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})=\mathrm{CH}_3 \mathrm{OH} \text { (1) }
$$
a) à partir des enthalpies de formation ;
b) à partir des énergies de liaison.

Md Mohibullah

Auburn University Main Campus

03:42

Problem 7

Les énergies de liaison ne sont généralement pas mesurables de façon directe ; on les calcule à partir d'autres résultats pouvant être obtenus expérimentalement :
Ainsi, comment pourrait-on déterminer l'énergie de la liaison $\mathrm{N}-\mathrm{H}$, dans l'ammoniac, à partir des données suivantes :
$$
\begin{array}{ll}
4 \mathrm{NH}_3+3 \mathrm{O}_2=2 \mathrm{~N}_2+6 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) & \Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}=-1530 \mathrm{~kJ}^2 \cdot \mathrm{mol}^{-1}\left(^*\right) \\
2 \mathrm{H}_2+\mathrm{O}_2=2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) & \Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}=-568 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}\left({ }^*\right) \\
\mathrm{N}_2=2 \mathrm{~N} & \Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}=+940 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1} \\
\mathrm{H}_2=2 \mathrm{H} & \Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}=+436 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}
\end{array}
$$
(*) L'indication « $\mathrm{mol}^{-1} »$ spécifie qu'il s'agit de l'enthalpie mise en jeu par l'avancement $\xi=1 \mathrm{~mol}$ de la réaction calculée avec les proportions figurant dans l'équation stæchiométrique.

Vasu Makani

Numerade Educator

01:20

Problem 8

Les enthalpies de formation de référence ne peuvent se mesurer directement que si le composé peut effectivement se former à partir des corps simples correspondant aux éléments qu'il contient.
Ce n'est pas le cas du carbonate de calcium $\mathrm{CaCO}_3$, qui peut par contre s'obtenir par la réaction $\mathrm{CaO}+\mathrm{CO}_2=\mathrm{CaCO}_3$ dont l'enthalpie molaire de réaction de référence est $-178,5 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$.
Pouvez-vous calculer indirectement l'enthalpie de formation de référence du carbonate de calcium?
(Les autres données éventuellement nécessaires sont disponibles dans l'Annexe I).

Mishal Gul

Numerade Educator

05:34

Problem 9

Il existe un procédé de synthèse des hydrocarbures à partir des mélanges $\mathrm{CO} /$ $\mathrm{H}_2$, par lequel on peut par exemple obtenir l'octane $\mathrm{C}_8 \mathrm{H}_{18}$ :
$$
8 \mathrm{CO}+17 \mathrm{H}_2=\mathrm{C}_8 \mathrm{H}_{18}+8 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \text { (l) }
$$

Comment pourrait-on déterminer l'enthalpie de cette réaction, connaissant l'enthalpie de combustion de l'octane,
$$
\mathrm{C}_8 \mathrm{H}_{18}+25 / 2 \mathrm{O}_2=8 \mathrm{CO}_2+9 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \text { (l) } \quad \Delta_{\mathrm{r}} H^{\circ}=-5480 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}
$$
(Les autres données éventuellement nécessaires se trouvent dans l'Annexe I).

Elham Kordzadeh

Numerade Educator

04:58

Problem 10

Pour déterminer indirectement les enthalpies de réaction, on utilise souvent comme données des enthalpies de combustion facilement calculables à partir de données expérimentales.
Déterminez l'enthalpie de la réaction de synthèse du méthanol,
$$
\mathrm{CO}(\mathrm{g})+2 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})=\mathrm{CH}_3 \mathrm{OH} \text { (1) }
$$
en utilisant les données suivantes :
$$
\begin{array}{ll}
2 \mathrm{CO}+\mathrm{O}_2=2 \mathrm{CO}_2 & \Delta_{\mathrm{r}} H^{\circ}=-566 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1} \\
2 \mathrm{H}_2+\mathrm{O}_2=2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{g}) & \Delta_{\mathrm{r}} H^{\circ}=-484 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1} \\
\mathrm{CH}_3 \mathrm{OH}(\mathrm{l})+3 / 2 \mathrm{O}_2=\mathrm{CO}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{g}) & \Delta_{\mathrm{r}} H^{\circ}=-638 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}
\end{array}
$$

James Irizarry

Numerade Educator

02:18

Problem 11

Le zinc se dissout dans une solution d'acide chlorhydrique. L'équation stœchiométrique de cette réaction s'écrit :
$$
\mathrm{Zn}(\mathrm{s})+2 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})=\mathrm{Zn}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_2(\mathrm{~g})
$$

Comment peut-on déterminer l'enthalpie de cette réaction, en utilisant les données de l'Annexe I ainsi que les enthalpies de dissolution de $\mathrm{HCl}$ gazeux $\left(-73 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}\right)$ et du chlorure de zinc solide $\left(-62 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}\right)$ ?

Adriano Chikande

Numerade Educator

03:41

Problem 12

La valeur expérimentale de l'enthalpie molaire de formation de référence du fluorure de calcium $\mathrm{CaF}_2$, par réaction entre le calcium solide et le difluor gazeux, est - $1220 \mathrm{~kJ} \mathrm{~mol}^{-1}$.
Le fluorure de calcium est un solide cristallin ionique : quelle est la valeur de son énergie réticulaire?
(Les données nécessaires se trouvent dans les Annexes G et I).

Susan Hallstrom

Numerade Educator

01:29

Problem 13

Quelle est l'enthalpie molaire de formation de référence de $\mathrm{FeO}$ à la température de $800 \mathrm{~K}$ ?

Adriano Chikande

Numerade Educator

04:56

Problem 14

L'équation stœchiométrique de la combustion du méthanol s'écrit :
$$
\mathrm{CH}_3 \mathrm{OH}(1)+3 / 2 \mathrm{O}_2=\mathrm{CO}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \text { (1) }
$$

L'enthalpie molaire de référence de cette réaction est - $725 \mathrm{~kJ}^{-1} \mathrm{~mol}^{-1}$ à $298 \mathrm{~K}$; quelle est sa valeur à $350 \mathrm{~K}$ ?

Christopher Nilsen

Numerade Educator

01:15

Problem 15

Pour de nombreux travaux exigeant des températures élevées on utilise des chalumeaux, alimentés en un gaz combustible (dihydrogène, acétylène, butane) et en air ou en dioxygène pur, ce dernier permettant d'obtenir des températures beaucoup plus élevées que l'air.
a) Pourquoi obtient-on une flamme plus chaude avec le dioxygène qu'avec l'air?
b) Comment pourrait-on évaluer quantitativement cette différence de température?

Manik Pulyani

Numerade Educator

11:45

Problem 16

On réalise la décomposition du carbonate de baryum,
$$
\mathrm{BaCO}_3(\mathrm{~s})=\mathrm{BaO}(\mathrm{s})+\mathrm{CO}_2(\mathrm{~g}) \quad \Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}, 298 \mathrm{~K}}^{\mathrm{o}}=269,3 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}
$$
à $900 \mathrm{~K}$, dans un four chauffé au gaz naturel (c'est-à-dire par combustion de méthane $\mathrm{CH}_4$ ).
a) Quel volume de méthane (mesuré à $20^{\circ} \mathrm{C}$ et sous $1 \mathrm{~atm}$ ) faut-il brûler pour produire 1 tonne de baryte $\mathrm{BaO}$, le carbonate de baryum étant initialement à $20^{\circ} \mathrm{C}$ ?
b) Afin de faire des économies sur le chauffage du four, au lieu de laisser le dioxyde de carbone à $900 \mathrm{~K}$ s'échapper dans l'atmosphère on l'utilise pour réchauffer le carbonate de baryum, dans un échangeur de chaleur placé avant l'entrée du four, où $\mathrm{BaCO}_3$ et $\mathrm{CO}_2$ sont mis en contact. Quelle économie relative sur la consommation de méthane peut-on ainsi espérer ? Quelle serait alors la température du dioxyde de carbone à la sortie de l'installation?

Christopher Nilsen

Numerade Educator

03:14

Problem 17

Il est possible, en prenant certaines précautions, de refroidir de l'eau audessous de $0^{\circ} \mathrm{C}$ sans qu'elle se congèle; on dit qu'elle est en surfusion (cela se produit en particulier dans les nuages). Mais une cause minime (une vibration, une particule solide tombant dans cette eau) peut faire cesser brusquement cet état de faux équilibre, et provoquer la solidification spontanée et très rapide de l'eau en glace.
Montrez, en calculant la variation d'enthalpie libre qui accompagne la solidification isotherme d'eau refroidie à $-10^{\circ} \mathrm{C}$, que cette transformation est en effet spontanée.

Vidhi Bhatt

Numerade Educator

03:45

Problem 18

Le diazote et le dioxygène peuvent donner, entre autres, les trois réactions suivantes :
a) $\mathrm{N}_2+\mathrm{O}_2=2 \mathrm{NO}$
$$
\Delta_{\mathrm{r}} S_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}=24,5 \mathrm{JK}^{-1} \mathrm{~mol}^{-1}
$$
b) $\mathrm{N}_2+2 \mathrm{O}_2=2 \mathrm{NO}_2$
$\Delta_{\mathrm{r}} S_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}=-121,5 \mathrm{JK}^{-1} \mathrm{~mol}^{-1}$
c) $\mathrm{N}_2+2 \mathrm{O}_2=\mathrm{N}_2 \mathrm{O}_4$
$\Delta_{\mathrm{r}} S_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}=-297,2 \mathrm{JK}^{-1} \mathrm{~mol}^{-1}$

Quelle justification physique peut-on donner aux différences entre les valeurs des entropies de réaction correspondantes?

Sonia Tripathy

Numerade Educator

07:58

Problem 19

Comment pourrait-on calculer a priori la température de vaporisation normale du benzène (à la pression normale de 101 325 Pa) à partir de données thermodynamiques ?

Susan Hallstrom

Numerade Educator

12:21

Problem 20

Déterminez les variations d'enthalpie $\Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}$ et d'entropie $\Delta_{\mathrm{r}} S_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}$ des réactions suivantes, à $298 \mathrm{~K}$. À partir de ces valeurs, discutez les conditions de température dans lesquelles ces réactions peuvent être spontanées (en admettant que $\Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}$ et $\Delta_{\mathrm{r}} S_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}$ ne varient pas avec la température).
a) $2 \mathrm{Al}+3 / 2 \mathrm{O}_2=\mathrm{Al}_2 \mathrm{O}_3$
b) $\mathrm{Fe}_2 \mathrm{O}_3=2 \mathrm{Fe}+3 / 2 \mathrm{O}_2$
c) $\mathrm{Fe}_2 \mathrm{O}_3+2 \mathrm{Al}=\mathrm{Fe}+\mathrm{Al}_2 \mathrm{O}_3$
d) $3 \mathrm{O}_2=2 \mathrm{O}_3$
(Les données nécessaires se trouvent dans l'Annexe I).

Lori Mccoy

Numerade Educator

08:24

Problem 21

Discutez de la possibilité thermodynamique (ou spontanéité) des réactions suivantes, en considérant la valeur de la variation d'enthalpie libre $\Delta_{\mathrm{r}} G_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}$ pour chacune d'elles supposées s'effectuer avec l'ensemble des constituants pris dans leur état de référence.
a) $\mathrm{CH}_4+2 \mathrm{O}_2=\mathrm{CO}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}$ (1)
b) $2 \mathrm{NH}_3=\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2$
c) $2 \mathrm{~N}_2 \mathrm{O}=2 \mathrm{~N}_2+\mathrm{O}_2$

Albert T.

Numerade Educator