Combustion : quel est le lien entre la rupture des liaisons atomiques et la chaleur produite ?

[andretou]

Bonjour à tous
J'ai un petit souci avec la combustion (cette nouvelle discussion ne concerne pas la flamme).
Par exemple, si on brûle de l'hydrogène (dans de l'oxygène), alors on obtient de la vapeur d'eau et de la chaleur.
Je crois savoir que l'énergie thermique obtenue est égale à l'énergie libérée par la rupture des liaisons hydrogène initiales diminuée de l'énergie utilisée pour former les molécules d'eau.
Est-ce correct ?
Dans ce cas, comment l'énergie de liaison initiale se transforme-t-elle en énergie thermique ?
Merci d'avance pour vos réponses
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[Chimsiste]

Bonjour,

Les liaisons tiennent grâce à des forces quantifiées en énergie, donc pour briser des liaisons il faut fournir de l'énergie. Et lorsque des liaisons se forment, en général on passe à un état thermodynamique plus stable donc plus bas en énergie, il y a donc un relâchement d'énergie dans le milieu.

Je n'ai pas le diagramme énergétique du dihydrogène, mais j'ai trouvé la combustion du méthane sur google image, et je pense que c'est à peu près le même principe que le dihydrogène :

exemple.png

Voilà donc lors d'une réaction la somme des énergies engagés détermine si une réaction est endothermique ou exothermique.

[andretou]

Et lorsque des liaisons se forment, en général on passe à un état thermodynamique plus stable donc plus bas en énergie, il y a donc un relâchement d'énergie dans le milieu.

Je te remercie pour ta réponse.
Mais une fois que les liaisons se sont reformées, que devient l'énergie excédentaire ? Comment est-elle transmise au milieu ?

[HarleyApril]

Bonjour

Sans doute de l'énergie cinétique (agitation thermique).

[A voir en vidéo sur Futura]

[andretou]

Sans doute de l'énergie cinétique (agitation thermique).

Mais si on a au départ de 2 molécules de H2 et 1 molécule de O2, et à l'arrivée 2 molécules de H2O, la quantité de mouvement ne doit-elle pas être la même au départ et à l'arrivée ?
Par conséquent, si la masse est conservée, alors la vitesse moyenne est elle aussi conservée, et du coup l'énergie cinétique est en principe constante, non ?

[obi76]

Mais si on a au départ de 2 molécules de H2 et 1 molécule de O2, et à l'arrivée 2 molécules de H2O, la quantité de mouvement ne doit-elle pas être la même au départ et à l'arrivée ?

Non, puisqu'une partie de l'énergie de liaison part en énergie cinétique (cf #2)

Par conséquent, si la masse est conservée,

Oui

alors la vitesse moyenne est elle aussi conservée

Non

et du coup l'énergie cinétique est en principe constante, non ?

et du coup non plus.

[andretou]

Non, puisqu'une partie de l'énergie de liaison part en énergie cinétique (cf #2)

Mais comment ? Est-ce que la rupture de la liaison H-H produit une force répulsive entre les atomes d'hydrogène ?

[obi76]

Mais comment ? Est-ce que la rupture de la liaison H-H produit une force répulsive entre les atomes d'hydrogène ?

on vous l'a dit : il faut de l'énergie pour rompre les liaison H-H, et leur recombinaison avec un oxygène en libère. L'énergie libérée par la recombinaison est plus grande que celle nécessaire à rompre la liaison H-H, d'où l'émission d'énergie au final.

Relisez le post #2 (et comprenez-le).

[Chimsiste]

La liaison H-H possède une certaine énergie, lors de la combustion on apporte une certaine énergie pour amorcer la combustion. Et donc quand la molécule d'eau se forme on passe à un niveau d'énergie plus bas : donc où est passée l'énergie en trop ? En agitation thermique ou énergie cinétique.

L'énergie produit est supérieur à l'énergie nécessaire pour la réaction c'est pour cela qu'on a besoin que d'un seul coup de briquet pour faire une soudure par exemple.

[andretou]

L'énergie libérée par la recombinaison est plus grande que celle nécessaire à rompre la liaison H-H, d'où l'émission d'énergie au final.

Est-ce que vous voulez dire que l'excédent d'énergie de liaison est rayonnée par les atomes sous forme de rayonnements infrarouges, lesquels à leur tour produisent l'agitation thermique des molécules ?

[obi76]

Les 2 coexistent. In fine l'énergie cinétique augmente ce qui entraine une élévation de la température, c'est tout

[andretou]

Vous voulez dire que le rayonnement infrarouge n'est pas la cause de l'augmentation de l'énergie cinétique, mais la conséquence ?
Mais alors il me manque toujours une étape : comment l'énergie de liaison se transforme-t-elle en énergie cinétique ?
Car d'après le théorème de l'énergie cinétique il faut nécessairement qu'une force travaille pour faire varier l'énergie cinétique. Quelle est donc la force à l'origine de la variation de l'énergie cinétique ?

[Chimsiste]

Il faut regarder d'un point de vue atomistique, et je n'ai pas tout bien saisis sur le sujet. En tout cas, d'après l'opérateur Hamiltonien moléculaire : l'énergie totale d'une molécule est composée de l'énergie cinétique et potentielle électrostatique de chaque noyau et électron.

Donc en passant à un état plus stable, il y aurait émission de rayon thermique pour faire simple, accompagné d'une libération de l'énergie cinétique dû aux interactions Coulombienne.

A vérifier, voici un début de piste : https://fr.wikipedia.org/wiki/Hamilt...l%C3%A9culaire

[obi76]

Vous voulez dire que le rayonnement infrarouge n'est pas la cause de l'augmentation de l'énergie cinétique, mais la conséquence ?

Les 2. L'énergie cinétique peut se convertir en énergie de rayonnement (infrarouge par exemple), et ce rayonnement peut être absorbé par une molécule, augmentant du coup son énergie cinétique. Il y a un lien de cause à effet, mais dans les 2 sens.

[andretou]

Les 2. L'énergie cinétique peut se convertir en énergie de rayonnement (infrarouge par exemple), et ce rayonnement peut être absorbé par une molécule, augmentant du coup son énergie cinétique. Il y a un lien de cause à effet, mais dans les 2 sens.

Je suis d'accord, mais il me manque toujours le passage où l'excédent d'énergie de liaison se transforme en énergie cinétique...

[obi76]

Je suis d'accord, mais il me manque toujours le passage où l'excédent d'énergie de liaison se transforme en énergie cinétique...

Relisez le #13. Mais là, il faut mettre les mains dans le cambouis.

[andretou]

Je ne trouve malheureusement pas la réponse à ma question à la page Wiki de l'hamiltonien moléculaire, car il y est question de calculs permettant de déterminer les propriétés des molécules et non d'expliquer comment l'énergie de liaison est convertie en énergie cinétique.

Mais je crois cependant avoir trouvé la solution.
Si l'énergie totale d'une molécule située dans son propre référentiel est constante et est égale à l'énergie de masse + l'énergie de liaison, alors la rupture d'une liaison a pour effet d'augmenter la masse (de la même manière que la masse d'un atome d'hydrogène est plus petite que la masse d'un proton et d'un électron séparés, ou que la masse de 2 aimants liés est plus petite que la masse des aimants séparés).
La rupture de liaison a donc pour effet d'augmenter la masse du système.
Or, puisque l'énergie cinétique est proportionnelle à la masse, alors la rupture de liaison a pour effet d'augmenter l'énergie cinétique du système.
En conclusion : l'énergie libérée par la rupture des liaisons de H2 et O2 (moins l'énergie utilisée pour former les liaisons des molécules de H2O) produit une augmentation de la masse du système, donc une augmentation de l'énergie cinétique, donc de la chaleur.
Est-ce correct ?

[noir_ecaille]

Si on prends les protons accélérés au CERN, on augmente leur "masse" en leur insuflant de l'énergie cinétique -- ils vont à une fraction de vitesse de la lumière mais au bout d'un moment au lieu d'aller plus vite, ils gagnent seulement en inertie de mouvement, s'alourdissent.

Côté combustion de l'hydrogène, il y a des similitudes. On a les mêmes masses mais pas tout à fait les mêmes distances aux noyaux (et entre atomes aussi), et cette configuration est encore à l'état excité juste au sortir de la réaction. Or un électron excité tend à décharger son énergie pour revenir à une orbite plus stable : d'où photon et/ou énergie cinétique.

Au passage, aucune énergie ne se libère à la rupture de la liaison H-H ou O-O : les atomes sont à l'état excité donc il n'y a pas (encore) libération d'énergie, qui se fera au moment de la reformation d'un doublet électronique suivi de la désexcitation des atomes (d'où relargage de l'énergie excédentaire). Ca peut peut-être s'expliquer partiellement par le fait que l'hydrogène ionisé aura plus tendance à perdre un électron et à l'inverse l'oxygène ionisé aura plus tendance à gagner un électron. Ca dépend de la complétion de la dernière couche électronique (la couche de valence).

[Chimsiste]

Je ne vois pas comment la masse d'un atome d'hydrogène peut être plus petite que la masse d'un proton et d'un électron séparé. Alors d'après la fameuse formule d'Einstein, il y a plutôt une perte de masse lors de cette réaction, en théorie. Expérimentalement ça n'a jamais pu être prouvé car la perte de masse est d'environ 0,00000000135 kg. (source wikipedia, j'ai appris ça ce soir)

Vous confondez : on doit apporter de l'énergie pour casser des liaisons, et l'énergie est libérée lors de la formation de nouvelle liaison.

L'énergie de la liaison initiale est transmise par rayonnement électromagnétique ou photon, dans le cas de la combustion on peut voir ces rayons (flamme rouge). On passe par la formation de radicaux, ce qui explique pourquoi c'est une réaction exothermique, étant donné que les radicaux sont très instable, la formation de l'eau qui est une molécule plus stable induit donc un relâchement d'énergie selon les règles de la thermodynamique et aussi de la physique quantique.

L'énergie cinétique serait donc augmenté par ces rayonnements.

En physique quantique, de mes souvenirs, il est possible de calculer les rayons émis de quelques réactions simple car les équations sont très complexes. Les données du calcul sont déterminés par l'énergie des orbitales molécules HOMO-LUMO ainsi que l'énergie des électrons en faisant des approximations. Enfin bref, j'ai un peu oublié et j'ai tendance à confondre certaine chose en physique quantique.

[andretou]

Je ne vois pas comment la masse d'un atome d'hydrogène peut être plus petite que la masse d'un proton et d'un électron séparé.

Si, si, je confirme bien que la masse de l'atome d'hydrogène (le protium) est inférieure à la masse du proton et de l'électron séparés, et que la différence est égale à l'énergie de liaison...
Voir cette discussion : https://forums.futura-sciences.com/p...ml#post6330383

mp : 938.272 081 3 MeV
me : 0.5109989461
Somme : 938.783 080 246 1
protium : 938.783 066 73
Delta : - 13.516 eV

[andretou]

On a les mêmes masses mais pas tout à fait les mêmes distances aux noyaux (et entre atomes aussi), et cette configuration est encore à l'état excité juste au sortir de la réaction.

Lors de la combustion de l'hydrogène, qu'est-ce qui met initialement les atomes dans un état excité ?

[noir_ecaille]

C'est l'étincelle initiale -- ou plus localement un photon qui est absorbé par l'atome/molécule. Plus précisément cette absorption d'énergie n'est possible que si le photon correspond précisément à l'écart énergétique entre deux orbites électroniques (distribution discrète, au contraire d'orbites planétaires dont la distribution est continue). Si on a un photon qui a la bonne quantité d'énergie, l'électron change d'orbite (il s'éloigne de l'atome) et cet état de l'atome est qualifié comme excité.

A un moment, l'excitation peut excéder l'orbite de valence d'un des électrons (d'où par exemple cassure de la liaison entre deux atomes, ou ionisation à plus forte énergie). On a alors un état transitoire de l'atome où son électron non-apparié va s'associer avec le premier électron non-apparié disponible. Une fois les électrons appariés, de l'énergie est libérée sous forme d'un nouveau photon, et les électrons changent d'orbite en se rapprochant du noyau.

Dans le cas d'une liaison H-H, le doublet est à équidistance des deux noyau (d'où absorption d'un photon d'énergie = x). Quand une liaison H-O se forme, il y a une dissymétrie dans la distance aux noyaux (le doublet est davantage attiré par l'atome d'oxygène), donc les orbites sont différentes, ce qui induit le relargage d'un photon d'énergie = y et non pas x. Il se trouve que y - x > 0

[andretou]

Au passage, aucune énergie ne se libère à la rupture de la liaison H-H ou O-O : les atomes sont à l'état excité donc il n'y a pas (encore) libération d'énergie, qui se fera au moment de la reformation d'un doublet électronique suivi de la désexcitation des atomes (d'où relargage de l'énergie excédentaire).

Auriez-vous SVP la possibilité de m'indiquer un lien/site pour obtenir plus d'explications ?

[noir_ecaille]

Un site en particulier ? Je ne sais pas. Il y a peut-être des illustrations/cours spécifiquement sur la dynamique atomique/subatomique d'une telle réaction combinatoire. Pour ce qui concerne les publications, je n'ai pas retrouvé les études précises de ces découvertes

J'ai trouvé ce logiciel : https://rmg.mit.edu/
Malheureusement je n'ai pas pu testé car ça demande un OS Linux ou de bidouiller plus que ce que je suis en mesure de faire Mais à tout le moins ça permet de faire jouer des réactions et observer les combinaisons, les niveaux d'énergie (orbites occupées par électrons), et peut-être d'autres choses.

Côté Wikipédia, il suffit de mots clefs tels que : orbitale atomique, orbitale moléculaire, diagramme d'énergie, saut quantique, etc. Il y a des articles pas mal, peut-être un peu touffus selon ce qu'on cherche à focaliser.


PS : Avec le recul, je me demande si le premier photon est absorbé par le dihydrogène ou par le dioxygène -- d'intuition je dirais ce dernier, puisqu'on parle souvent de la demi-réaction :
H₂ + 1/2 O₂ ==> H₂O (+ énergie)

[FC05]

Il vous manque aussi les énergies rotationnelles et vibrationelles ... En plus l'eau a des bandes en IR, qui pourraient servir, non ?

C'est bien beau de partir sur le CERN ... mais là on n'y est pas !

[noir_ecaille]

Vous êtes bienvenu pour corriger et détailler, ne serait-ce que pour éclairer andretou et tous les lecteurs de ce fil

[FC05]

Vous êtes bienvenu pour corriger et détailler, ne serait-ce que pour éclairer andretou et tous les lecteurs de ce fil

Effectivement, mais devant l'ampleur de la tâche je renonce.

Je sais, ce n'est pas bien.

[noir_ecaille]

Effectivement, mais devant l'ampleur de la tâche je renonce.

A vous lire, est-ce à entendre comme l'ampleur de mes erreurs/lacunes ? Vous pourriez au moins donner des pistes.

[andretou]

Je crois que je fais fausse route depuis le début !!!
L'énergie de liaison du dihydrogène ajoutée à l'énergie de liaison de l'oxygène est en effet INFERIEURE à l'énergie de liaison de la molécule d'eau !
Si on reprend l'équation de la combustion du dihydrogène dans de l'oxygène :

2 H₂ + O₂ ---> 2 H₂O + chaleur

Or les énergies de liaisons sont les suivantes :
H-H = 436 kJ/mole
O=O = 502 kJ/mole
H-O = 460 kJ/mole

Dans l'état initial (soit 2 moles de H₂ + 1 mole de O₂), nous avons donc une énergie de liaison totale : (2 x 436 kJ) + 502 kJ = 1374 kJ
Dans l'état final (soit 2 moles de H₂O), nous avons donc une énergie de liaison totale : 2 x 2 x 460 = 1840 kJ

Ces calculs sont-ils corrects ?
Si oui, alors l'énergie de liaison disponible avant la combustion ne permet pas de former les liaisons produites : il manque 1840 - 1374 = 466 kJ (ce qui correspond à peu près au pouvoir calorique (PCI) de 2 moles de H₂ : 2 x 242 kJ = 484 kJ)

Mais du coup, comment peut-on obtenir une énergie de liaison de 1840 kJ avec seulement 1374 kJ ??? D'où vient l'énergie manquante ?

[jeanne08]

L'énergie d'une liaison A-B est, par convention, l'énergie nécessaire pour casser la liaison et séparer les atomes A et B et c'est l'énergie récupérée quand on rapproche les atomes A et B pour former la liaison A-B . Ici il faut 1374 kJ pour casser les liaisons initiales et on récupère 1840 kJ quand on forme l'eau . La réaction bilan est exothermique.