La thermochimie dans les examens
La thermochimie est une branche de la chimie générale qui étudie les effets thermiques des réactions chimiques. Dans les examens de chimie, elle est principalement représentée à travers des problèmes types impliquant la mise en relation d'l'effet thermique (ou de l'enthalpie, selon la terminologie des cours universitaires) avec la quantité de matière des réactifs et des produits de la réaction.
Cependant, la thermochimie réelle ne se limite pas à ces calculs proportionnels. Sa tâche principale est de déterminer la chaleur d'une réaction chimique par diverses méthodes, y compris indirectes. Cela revêt une importance pratique considérable : l'énergie libérée lors de la combustion de carburants (par exemple, le méthane réagissant avec l'oxygène pour donner du dioxyde de carbone et de l'eau) est activement utilisée dans le secteur de l'énergie et des transports. Le méthane est considéré comme un combustible plus propre que les produits pétroliers précisément en raison des caractéristiques thermochimiques connues de sa réaction de combustion.
L'enthalpie et la personnalité de G. I. Hess
L'enthalpie (notée H) est une fonction d'état thermodynamique qui caractérise le contenu thermique d'un système. La variation d'enthalpie ΔH au cours d'une réaction est numériquement égale à l'effet thermique à pression constante, mais de signe opposé : pour les processus exothermiques, ΔH < 0, et pour les processus endothermiques, ΔH > 0.
Herman Ivanovitch Hess (Germain Henri Hess) était un scientifique russe d'origine suisse, sujet de l'Empire russe. Il a dirigé des expéditions d'exploration géologique à Irkoutsk, a enseigné aux instituts technologiques et des mines de Saint-Pétersbourg et a exercé la médecine. Outre la découverte de la loi des sommets thermiques constants, Hess a rédigé la première nomenclature chimique russe et a inventé un alcoomètre ; la notion de « degrés Hess » a existé comme mesure de la concentration des solutions alcooliques.
La loi de Hess
La loi de Hess s'énonce ainsi : l'effet thermique d'une réaction chimique ne dépend que des états initial et final du système et est indépendant du chemin suivi par la réaction, à condition que la pression (ou le volume) reste constante.
Métaphoriquement, cela peut être comparé à l'ascension d'une montagne : on peut y aller tout droit ou par un sentier en lacet — l'effort physique subjectif varie, mais la différence d'altitude entre la base et le sommet reste la même. Pour une réaction chimique, seuls comptent les réactifs de départ et les produits obtenus ; les étapes intermédiaires n'ont aucune influence sur la valeur de ΔH.
Conséquences importantes :
- Les valeurs de ΔH des réactions directe et inverse sont égales en module et de signes opposés.
- Une réaction peut être représentée comme la somme de plusieurs étapes, et le ΔH total est égal à la somme algébrique des enthalpies de ces étapes.
- La loi permet de calculer les effets thermiques de réactions qu'il est impossible ou difficile de mesurer expérimentalement.
Application de la loi de Hess : le problème de la combustion du phosgène
Il s'agit de déterminer l'effet thermique de la réaction de combustion du phosgène (COCl₂) en dioxyde de carbone et en chlore. La mesure directe est difficile, mais deux réactions sont connues : la décomposition du phosgène et la décomposition du dioxyde de carbone, avec leurs valeurs de ΔH respectives.
Algorithme de résolution :
- Écrire la réaction cible et les deux réactions auxiliaires.
- Inverser la deuxième réaction (décomposition du CO₂) dans le sens opposé, puisque dans la réaction cible le CO₂ est un produit et non un réactif. Lors de cette inversion, le signe de ΔH change : de +282,8 kJ, il devient −282,8 kJ.
- Additionner les équations et leurs variations d'enthalpie correspondantes. La somme obtenue correspond au ΔH de la réaction cible.
Ainsi, par un détour via des produits intermédiaires (le monoxyde de carbone CO), il est possible de calculer l'effet thermique inaccessible à une mesure directe.
La thermochimie dans l'organisme et en diététique
La combustion du glucose dans un feu de bois et son oxydation dans un organisme vivant sont des processus chimiquement identiques : mêmes réactifs (C₆H₁₂O₆ et O₂), mêmes produits (CO₂ et H₂O), mêmes coefficients stœchiométriques. La différence réside dans la cinétique : dans le feu, l'énergie est libérée instantanément sous forme de chaleur, tandis que dans la cellule, le processus se déroule par étapes, ce qui permet de stocker l'énergie sous forme de molécules d'ATP et d'équivalents réducteurs (NADH, FADH₂).
Selon la loi de Hess, l'effet thermique total de l'oxydation du glucose est le même dans les deux cas. C'est pourquoi la valeur calorique des aliments est déterminée en brûlant le produit dans un calorimètre (bombe calorimétrique) et en mesurant la chaleur dégagée. Sur la base de ces mesures, des valeurs de référence ont été établies : les glucides fournissent environ 17,2 kJ par gramme, et les lipides environ 38 kJ par gramme. Le calcul des rations en diététique s'appuie directement sur les données thermochimiques et la loi de Hess, ce qui démontre le lien fondamental entre la chimie générale, la médecine et la physiologie.
Points clés
- L'enthalpie H est une fonction d'état ; ΔH caractérise l'effet thermique d'une réaction à pression constante.
- Loi de Hess : le ΔH d'une réaction ne dépend que des états initial et final et est indépendant du chemin réactionnel.
- Lors de l'inversion d'une équation de réaction, le signe de ΔH est inversé.
- La loi de Hess permet de calculer indirectement les effets thermiques grâce à une combinaison de réactions connues.
- G. I. Hess est un scientifique du XIXe siècle, auteur de la loi des sommes thermiques constantes et de la première nomenclature chimique russe.
- L'oxydation du glucose dans un calorimètre et dans une cellule produit le même ΔH global, ne différant que par le mécanisme et la vitesse.
- La valeur calorique des aliments est déterminée par calorimétrie, ce qui constitue une application directe de la loi de Hess en diététique.
- La thermochimie est indispensable à la compréhension de la bioénergétique et du métabolisme pour l'étudiant en médecine.