Leçons de niveau 14

Thermodynamique des réactions chimiques/Introduction

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Chapitre no 1
Leçon : Thermodynamique des réactions chimiques
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La thermodynamique des réactions s' intéresse à la modification des espèces soit au niveau de la molécule ou de l'atome soit même au niveau des noyaux.

Les réactions sont étudiées sous l'angle de leur cinétique ou sous l'angle de la thermodynamique. La thermodynamique va dire si la réaction est possible et la cinétique va dire si le processus se fera avec une vitesse non nulle.

On distinguera la cinétique des réactions nucléaires, la cinétique des réactions chimiques et la cinétique physique.

On aura :

réactifs --------> produits

La réaction nucléaire[modifier | modifier le wikicode]

Dans la réaction nucléaire, les noyaux des atomes sont modifiés

235U + 1n 141Ba + 92Kr + 3 1n
238U 234Th + 4He (désintégration α)

La réaction chimique[modifier | modifier le wikicode]

Un processus chimique est représenté par une réaction chimique au cours de laquelle il y a conservation des atomes mais pas conservation de leurs combinaisons.

Soit la réaction chimique:

désigne les symboles chimiques des réactifs et désigne ceux des produits ;

νi et νj sont les coefficients stœchiométriques (nombres sans dimension).

Il est possible d’utiliser une écriture condensée :


Dans cette écriture, les coefficients stœchiométriques des produits sont positifs et ceux des réactifs sont négatifs.

La cinétique physique (collisions inélastiques)[modifier | modifier le wikicode]

La cinétique physique (on dit aussi cinétique des états excités) s’ intéresse aux transferts d’énergie (collisions inélastiques) :

N2(A) + N2(A) N2(B, v=11) + N2(X)

ici

N2(A) est une molécule d'azote qui est excitée dans le premier état électronique (noté A).
N2(X) est une molécule d'azote qui est dans son état fondamental (noté X)
N2(B, v=11) est une molécule d'azote qui est excitée dans le deuxième état électronique (noté B) et qui est excitée dans le niveau de vibration v = 11

Réactions élémentaires et bilan de réaction[modifier | modifier le wikicode]

Le processus chimique est souvent un bilan de réactions élémentaires. En cinétique chimique, un processus élémentaire ou étape élémentaire est une réaction chimique qui décrit les collisions qui se passent réellement au niveau moléculaire.

Le mécanisme réactionnel est constitué par un ensemble de réactions appelées « actes élémentaires » ou « étapes élémentaires ». On obtient ainsi une équation-bilan de la réaction étudiée. L'équation-bilan d'une réaction fournit un bilan de matière mais ne permet pas de comprendre ce qui se passe au niveau microscopique.

En cinétique chimique, on note l'équation-bilan avec le symbole = et les étapes élémentaires avec une flèche .

Exemples:

  • Lors de la réaction de l'acide iodhydrique HI avec l'eau oxygéné H2O2, on a deux étapes élémentaires successives:
HI + H2O2 IOH + H2O
IOH + HI I2 + H2O

ce qui donne l'équation-bilan suivante:

2 HI + H2O2 = I2 + 2 H2O (bilan de matière)


  • La réaction réversible du procédé Haber se décrit par:
N2 + 3 H2 2 NH3 + 92,4 kJ




Réaction chimique : échange d'atomes entre les composés, exemple de la combustion du méthane dans le dioxygène.

voir aussi = Cinétique_chimique/Vitesse_de_réaction

Activation de la réaction[modifier | modifier le wikicode]

Parfois le système n'a pas besoin d’être activé pour évoluer. C'est par exemple le cas en radioactivité où on aura des réactions spontanées

Système déjà activé instable Système stable Σ2
238U 234Th + 4He (désintégration α)

Cependant on a souvent un système stable qui doit être activé (cad recevoir de l'énergie) pour évoluer :

Système stable Σ1 Système activé instable Système stable Σ2

On peut apporter de l'énergie au système de différentes manières :

Activation
énergie
Discipline
photon hν Photochimie
chauffage Pyrolyse
arc électrique Plasmachimie
énergie électrique Électrolyse
onde sonore Sonochimie
rayonnements Radiolyse
etc. ...


variation de l'énergie au cours de la combustion du méthane dans le dioxygène


Collisions[modifier | modifier le wikicode]

Les réactions se font souvent lors de collisions entre des espèces,

Pendant la collision de deux particules, on peut observer les phénomènes suivants :

  • diffusion = interaction avec seulement un changement de direction du vecteur vitesse
  • collision élastique = interaction avec un changement (module et direction) du vecteur vitesse
  • collision inélastique = interaction avec transferts d'énergie interne au noyau, à l'atome ou à la molécule
  • la réaction chimique = interaction inélastique avec modification de la molécule
  • la réaction nucléaire = interaction inélastique avec modification du noyau

Les réactions se font en générale par la collision entre deux espèces. Parfois, il faut la collision de trois espèces en même temps mais ceci est plus rare. Le troisième corps sert alors à évacuer l'énergie en trop.

N (énergie E1) + N (énergie E2) + N2 (énergie E3) N2 (énergie E4) + N2 (énergie E5 > E3 )

La recombinaison de 2 atomes d'azote N dégage trop d'énergie pour se faire par une collision à 2 corps. Il faut un troisième corps (molécule de diazote) pour récupérer de l'énergie.