Construction cycle de Hess - Je suis perdu - Thermodynamique

[crash69330]

Bonsoir,

Je suis en train de réviser mon cours de thermodynamique (1ère année POST-BAC).

En TD comme en cours, on a effectué des cycles de Hess pour obtenir les DELTA Hr, en passant par des "chemins" combinés.

J'ai compris l'objectif d'utiliser un cycle de Hess, et j'ai compris comment calculer le DELTA Hr une fois le cycle fermé.

Mon problème se trouve dans la construction de ce fameux cycle:

• Premièrement, d'où "sort-on" les équations des réactions de formation ? Pour le prof, cela semble intuitif, pour moi c'est le brouillard !
• Deuxièmement, quelle est la "méthode" pour insérer ces réactions de formation dans le cycle de Hess ? Souvent, j'ai l'impression que l'on rajoute des réactifs, sans se soucier des réactions initiales ...
• Enfin, comment choisit on le sens des flèches, reliant les différentes étapes des chemins ? Des fois la flèche est orientée vers le haut, d'autre fois vers le bas, des fois vers la gauche et d'autres fois à droite: je m'y perd !

Un exemple concret: voir l'image en pièce jointe
→ Je ne vois pas comment l'on passe de la reaction 1 à celle d'en dessous, et encore moins comment l'on passe de la deuxième a celle encore en dessous: rien ne "colle" avec les réactions de formation listées au dessus

Merci beaucoup à qui m’éclaircira sur ces 3 points, je pensais avoir compris puis en essayant ce soir, je vois que je n'y arrive pas !
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[moco]

Effectivement la méthode présentée dans l'image attachée est d'une clarté discutable. On se demande pourquoi l'auteur n'a pas tenu compte de l'âge du capitaine. Mais bon. Reprenons par le début.

Une équation de formation est une équation où la partie droite contient une molécule (et une seule) d'une espèce donnée. La partie gauche contient des corps simples élémentaires, donc non combinés, tels qu'on les trouve à 25°C et 1 bar, comme H2, O2, C, Fe, B, etc. Les coefficients de ces corps simples peuvent être entiers ou non.
Par exemple, l'équation de ton document qui forme 2 B2O3 est le double d'une équation de formation. L'équation de formation de 1 B2O3 aurait à gauche 2 B et 3/2 O2, et l'enthalpie de formation de B2O3 vaut la moitié de -2509 kJ, donc de -1255 kJ/mol.
Attention ! Je constate que toutes tes unités sont fausses. Elles sont données en kJ, alors qu'il aurait fallu les donner en kJ/mol.

je fais une parenthèse à ce sujet, car c'est important. Quand on dit que l'enthalpie accompagnant une réactin est de x kJ/mol, il faut préciser .. par mole de quoi ? Réponse par mole de ce qui figure dans l'équation. par exemple, l'équation 4 B + 3 O2 -> 2 B2O3 a un Delta H de -2509 kJ/mol, cela veut que la chaleur de la réaction vaut -2509/4 kJ/mol de Bore consommé, ou -2509/3 mole de O2, ou -2509/2 kJ/mole de B2O3 formé. la chaleur de formation de 1 B2O3 est donc de 2509/2 = 1255 kJ/mol. Compris ?

Passons à la loi de Hess. Moi je la représente sous la forme d'un diagramme, où les enthalpies figurent sur une échelle verticale. Je mets dans le haut de la page les molécules et substances à l'état élémentaire, toutes sur le même niveau, donc B, H2 et O2. Comme on veut former B2H6, j'écris sur le plus haut niveau 2 B, 3 H2 et "x O2". On définira le nombre x de O2 plus tard. Je divise la page en deux. La moitié gauche servira à la formation progressive des différents oxydes, et la moitié de droite à la formation préalable de B2H6, puis à sa combustion.
Commençons par la partie gauche où tout est connu. On commence par oxyder 2 B en B2O3. Cela dégage la moitié de 2509 kJ/mol , soit 1255 kJ/mol. Donc je dessine un nouveau niveau énergétique 12.55 cm plus bas. Et sur ce niveau j'indique ce qui reste des 2 B, 3 H2 et x O2, c'est-à-dire B2O3, 3 H2 et y O2, en notant qu'il a fallu amener 3/2 O2 pour faire B2O3. Tu me suis ?

On va ensuite oxyder les 3 H2, pour former les 3 H2O. Cette opération dégage 3/2 fois 571 kJ/mol = 857 kJ/mol. Donc je dessine un nouveau niveau à 8.57 cm au-dessous du précédent. Et sur ce niveau inférieur j'écris ce qui reste des 2 B , 3 H2 et x O2 initial. Il faut donc écrire B2O3 et 3 H2O. Il est donc situé 21.12 cm cm plus bas que le tout premier niveau.
Reste à calculer la quantité de O2. Pour former ces 3 H2O, il a fallu fournir 3/2 molécules O2. Ceci nous permet de préciser le x initial. L'oxydation de 2 B demande 3/2 O2, et celle de 3 H2 demande 3/2 O2. En tout, nous avons engagé 3/2 + 3/2 = 3 O2. Donc on peut terminer le 1er niveau : 4 B, 3 H2 et 3 O2.
Fort bien. On a terminé le premier chemin, donc la partie gauche. On va attaquer le second chemin, par la droite du dessin.

On part de 2 B, 3 H2 et 3 O2, et on commence par fabriquer B2H6. Cette opération dégage une énergie inconnue que je vais appeler X. On va devoir dessiner au crayon un niveau pour l'instant mal situé, mais peut-être provisoirement à 2 à 3 cm plus bas, où on reporte ce qui reste de 2 B, 3 H2 et 3 O2. On écrit sur ce niveau : B2H6 + 3 O2. Puis on attaque la dernière combustion celle qui dégage B2O3 à partir de B2H6. Cela dégage 2147 kJ/mol, et on arrive au même niveau final que celui obtenu dans le processus de gauche. C'est fort bien, car maintenant on sait que le niveau flottant de B2H6 + O2 est situé 21.47 cm plus haut que le niveau final. Et ô surprise, cela place le niveeau de B2H6 et O2 un peu plus haut que le niveau initial. Et plus exactement à 21.47 cm au-dessus de l'état final, donc à 21.47 - 21.13 = 0.34 cm au-dessus de l'état initial formé de 2B, 3 H2 et 3 O2. C'est un résultat très curieux, mais intéressant : la formation de B2H6 est endothermique. On efface le trait de crayon, et on place 2B, 3H2 et 3 O2 plus haut
L'enthalpie de formation de B2H6 vaut +34 kJ/mol. Je dis bien + 34 !

Ouf ! Quel pensum ! Est-ce que tu m'as suivi ?

J'ai été un peu vite. J'espère que tu as compris.

[crash69330]

Effectivement comme tu le dis, "quel pensum" mais promis j'ai tout lu

Alors j'ai bien suivi. J'ai refait ce que tu décrivais sur un papier pour mieux comprendre. Une fois que tu le dis, ça paraît simple

Seulement le souci c'est qu'en cours nous ne passons par par cette méthode en diagramme, nous faisons un cycle en dessous de la réaction initiale. J'ai donc peur de m'embrouiller en appliquant une autre méthode, mais de toute façon cela ne change pas le principe général ; par contre ce que je me demande toujours, c'est POURQUOI tu as pensé qu'il fallait oxyder telle molécule, ou encore effectuer telle réaction de combustion à un moment précis ?

Je comprend le principe général, mais je ne vois pas comment les différentes étapes arrivent ...

J'ai fait des recherches sur internet, je ne trouve nulle part de méthode précise pour la réalisation de ces cycles de Hess ...

[crash69330]

Autre remarque: Je comprend bien ton + 34 kJ/mol, logique puisque la réaction est endothermique !

Seulement pourquoi dans mon image il est indiqué que le delta H°f (B2H6)g = 135,4 kJ (/mol) ? A quoi sert cette information ? Il ne me semble pas que l'on s'en soit servi, est-ce une erreur de l'énoncé ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[moco]

Toutes les réactions qu'on te donne sont des réaction de quelque chose avec O2. Ce sont donc des oxydations.
Et l'expérience montre que beaucoup de réactions effectuées au labo dans un calorimètre sont des oxydations. Les autres réactions sont souvent calculées en appliquant le loi de Hess.

[crash69330]

Et quel raisonnement fais-tu pour savoir dans quel ordre procéder ? ça ne me vient pas "intuitivement" moi !

[moco]

L'ordre est sans importance. Il faut prendre une des oxydations au hasard pour la première. Moi j'ai pris B qui devient B2O3. Mais tu aurais pu commencer par H2 qui devient H2O. C'est égal. Le total de toutes les oxydations est seul important. Et il ne dépend pas de l'ordre dans lequel tu as effectuée les opérations successives.

[crash69330]

D'accord ! Je reprendrai toute ton explication demain. Mais je ne comprend pas pourquoi cela me pose tant de souci ... Je n'ai pas eu tant de problème dans les autres chapitres !
Au final, a quoi servait le delta H°f (B2H6)g = 135,4 kJ (/mol), donné en bas de mon image ?
Merci d'avoir pris le temps de me répondre en tout cas

Si une autre personne a une méthode différente ou une autre façon d'expliquer, peut être que cela me débloquerait

[moco]

Il y a une autre méthode, un peu plus difficile. Elle consiste à chercher à additionner et à soustraire toutes sortes d'équations, avec leurs Delta H correspondants, quitte à les multiplier parfois par des coefficients appropriés (2, 3 2/3, 1/4, que sais-je) de manière à ce que le résultat final donne exactement l'équation cherchée, donc ici 2 B + 3 H2 --> B2H6.
Ici si tu pars de l'équation (1) : 4 B + 3 O2 --> 2 B2O3, DeltaH(1) = ...
Avec un peu de jugeotte, tu devines qu'on peut soustraire 2 fois l'équation (2) : B2H6 + 3 O2 --> B2O3 + 3 H2O ; Delta H(2) = ..
Cela apparaître B2H6 dans le résultat, et disparaître B2O3, qui est indésirable. Le résultat s'écrit :
4 B + 3 O 2 - 2 B2H6 - 6 O2 --> 2 B2O3 - 2 B2O3 - 6 H2O ; Delta H(3) = Delta H(1) - 2 Delta H(2)
Mais cette équation (3) se réécrit sans les signes moins de la manière suivante :
4 B + 6 H2O --> 2 B2H6 + 3 O2
C'est presque l'équation cherchée, car il y a B à gauche et B2H6 à droite. mais il y a encore H2O et O2 qui gène, et il manque H2. Avec un peu de chance, on devine qu'il faut rajouter (4) : 2 H2 + O2 --> 2 H2O avec son delta H(4), mais multipliée par 3.
Il faut rajouter : 6 H2 + 3 O2 --> 6 H2O, 3 Delta H(4)
Le résultat de l'addition donnera (5) :
4 B + 6 H2O + 6 H2 + 3 O2 --> 6 H2O + 2 B2H6 + 3 O2, avec Delta H(5) = Delta H(3) + 3 Delta H(4)
ce qui se simplifie et donne :
4 B + 6 H2 --> 2 B2H6
C'est exactement le double de l'équation de formation. La chaleur de formation de B2H6 est donc la moitié de Delta H(5).

[crash69330]

C'est cette méthode que nous utilisons ! Désormais j'ai compris