Calculer l'énergie molaire d'une réaction de combustion

Le comburant le plus courant est le dioxygène O₂.

Pour les combustions rapides et assez chaudes, la réaction s’accompagne d’une flamme avec émission d’énergie lumineuse.

La combustion ne se produit pas spontanément, elle a besoin d’être activée par une énergie : il s’agit d’un apport de chaleur, sous forme d’étincelles ou autre.

À l’échelle microscopique, des liaisons chimiques des réactifs sont détruites lors de la combustion, ce qui libère les atomes. D’autres liaisons vont alors se former pour lier ces atomes et donner les molécules issues de la combustion (les produits).

Cette énergie molaire correspond à la différence d’énergie entre les énergies de liaisons avant et après combustion.

Remarque
Pour comprendre à quoi correspond l’énergie molaire de réaction, il faut imaginer un processus au cours duquel toutes les molécules des réactifs se dissocient en atomes isolés à l’état gazeux, à partir desquels les molécules des produits se reforment.

Processus de transformation de réactifs en produits

1. Les liaisons des réactifs se rompent, ce qui libère de l’énergie.
2. Les liaisons des produits se forment à partir des atomes isolés (issus des ruptures de liaisons des produits), ce qui consomme de l’énergie.

L’énergie molaire de réaction E_réaction qui est libérée au cours de la réaction est donc égale à la différence des énergies de liaison de tous les réactifs (liaisons rompues) et des énergies de liaison des produits (liaisons formées).

avec : Eréaction l’énergie molaire de la réaction, en joule par mole (J·mol−1) Σ Eliaison des réactifs la somme des énergies molaires de liaison des réactifs, en joule par mole (J·mol−1) Σ Eliaison des produits la somme des énergies de liaison des produits, en joule par mole (J·mol−1)

Cette énergie est toujours négative car une combustion libère de l’énergie (elle est exothermique). Cela signifie que l’énergie fournie par la rupture des liaisons des réactifs est moins importante que l’énergie consommée par le système pour former les liaisons des produits.

Pour calculer l’énergie molaire d’une réaction, on suit la méthode suivante.

• Étape 1 : Écrire l’équation de la réaction et l’équilibrer.
• Étape 2 : Donner les formules développées des réactifs et des produits.
• Étape 3 : Identifier les ruptures et formations de liaisons.
  Pour chaque réactif et produit, on identifie les liaisons qui les constituent.
• Étape 4 : Calculer les énergies molaires de liaisons.
  On calcule les énergies de toutes les liaisons qui constituent les réactifs et les produits.
• Étape 5 : Appliquer la formule .

On souhaite calculer l’énergie molaire E_réaction qui est produite au cours de la combustion complète du méthane CH₄ à l’état gazeux.

L’équation associée à cette réaction est :

CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(g).

Remarque
Le visuel suivant montre le processus d’isolement des atomes dans cette réaction.
Les atomes qui constituent les réactifs de la réaction vont se retrouver isolés suite à la rupture des liaisons Ⓘ. Ces atomes isolés vont permettre la formation des produit de la réaction ②.

Rupture et formation de liaisons dans une réaction chimique

On écrit la formule développée de tous les constituants de cette équation.

Réactifs		Produits
Méthane CH4	Dioxygène O2	Dioxyde de carbone CO2	Eau H2O

Au cours de cette réaction, des liaisons vont se rompre et d’autres se former.

• Rupture de 4 liaisons C—H dans 1 molécule de méthane CH₄.
• Rupture de la double liaison O=O dans 2 molécules de dioxygène O₂.
• Formation de 2 doubles liaisons C=O dans la molécule de CO₂.
• Formation de 2 liaisons O—H dans 2 molécules d’eau H₂O.

On calcule les énergies de toutes les liaisons qui constituent les réactifs et les produits.

• La rupture de 4 liaisons C—H (4 × 1) fournit l’énergie molaire E_{liaison C—H} = 4 × E_C—H.
• La rupture de 2 doubles liaisons O=O (1 × 2) fournit l’énergie molaire E_liaison O=O = 2 × E_O=O.
• La formation de 2 doubles liaisons C=O (2 × 1) consomme l’énergie molaire E_liaison C=O = 2 × E_C=O.
• La formation de 4 liaisons O—H (2 × 2) consomme l’énergie molaire E_{liaison O—H} = 4 × E_O—H.

On applique la formule :

On obtient ainsi :

E_réaction = (4 × E_C—H + 2 × E_O=O) − (2 × E_C=O + 4 × E_O—H)
E_réaction = (4 × 415 + 2 × 498) − (2 × 798 + 4 × 463)
E_réaction = −792 kJ·mol⁻¹ = −792 × 10³ J·mol⁻¹.