Utilisation de la Loi de Hess

Comprendre la Loi de Hess

La loi de Hess, aussi connue comme la loi de l'additivité des enthalpies de réaction, est une conséquence directe du fait que l'enthalpie est une fonction d'état. Elle stipule que la variation d'enthalpie globale pour une réaction chimique est la même, que la réaction se fasse en une seule étape ou en plusieurs étapes. Ce principe est extrêmement utile pour calculer l'enthalpie de réactions qu'il est difficile, voire impossible, de mesurer directement en laboratoire. En combinant de manière astucieuse des réactions dont les enthalpies sont connues, on peut déterminer l'enthalpie de la réaction souhaitée.

Données de l'étude

On cherche à déterminer l'enthalpie standard de formation (\(\Delta H_f^\circ\)) du monoxyde de carbone (\(CO\)) gazeux, une réaction difficile à réaliser sans produire également du dioxyde de carbone (\(CO_2\)).

Réactions et enthalpies standard connues :

Combustion du carbone graphite :
\(C(s, \text{graphite}) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)\) avec \(\Delta H_1^\circ = -393.5 \, \text{kJ/mol}\)
Combustion du monoxyde de carbone :
\(CO(g) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow CO_2(g)\) avec \(\Delta H_2^\circ = -283.0 \, \text{kJ/mol}\)

Cycle de Hess pour la Formation de CO

Questions à traiter

Écrire l'équation de la réaction cible correspondant à la formation d'une mole de \(CO(g)\) à partir de ses corps simples stables.
Manipuler (inverser, multiplier) les réactions 1 et 2 données pour que leur somme algébrique donne l'équation cible.
Appliquer les mêmes manipulations aux enthalpies \(\Delta H_1^\circ\) et \(\Delta H_2^\circ\).
Calculer l'enthalpie standard de formation du monoxyde de carbone, \(\Delta H_f^\circ(\text{CO}, g)\).

Correction : Utilisation de la Loi de Hess pour Déterminer une Enthalpie de Réaction

Question 1 : Équation Cible

Principe :

L'enthalpie standard de formation est la variation d'enthalpie pour la formation d'une mole d'un composé à partir de ses éléments constituants dans leur état standard. Pour le \(CO(g)\), les éléments sont le carbone solide (sous sa forme la plus stable, le graphite) et le dioxygène gazeux.

Résultat Question 1 : L'équation cible est :

C(s, \text{graphite}) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow CO(g)

Question 2 : Combinaison des Réactions

Principe :

On doit arranger les réactions données pour que les réactifs et produits non désirés s'annulent et qu'il ne reste que l'équation cible. Pour cela, on a besoin de \(C(s)\) comme réactif et de \(CO(g)\) comme produit.

La réaction 1 a \(C(s)\) du bon côté (réactif). On la garde telle quelle.
La réaction 2 a \(CO(g)\) du côté des réactifs, alors qu'on le veut comme produit. On doit donc inverser la réaction 2.

Manipulation :

Réaction 1 (inchangée) :

C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)

Réaction 2 (inversée) :

CO_2(g) \rightarrow CO(g) + \frac{1}{2} O_2(g)

En additionnant ces deux équations, les \(CO_2(g)\) s'annulent. Du côté des \(O_2(g)\), on a 1 mole à gauche et ½ mole à droite, ce qui laisse un net de ½ mole à gauche.

Résultat Question 2 : La somme donne bien l'équation cible :

C(s) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightarrow CO(g)

Question 3 : Manipulation des Enthalpies

Principe :

Les opérations effectuées sur les équations doivent être appliquées à leurs enthalpies de réaction correspondantes. Si on inverse une réaction, on change le signe de son \(\Delta H\). Si on multipliait une équation par un facteur, on multiplierait aussi son \(\Delta H\).

Application :

Réaction 1 : \(\Delta H_1^\circ = -393.5 \, \text{kJ/mol}\)
Réaction 2 inversée : \(\Delta H_2'^\circ = -(\Delta H_2^\circ) = -(-283.0 \, \text{kJ/mol}) = +283.0 \, \text{kJ/mol}\)

Question 4 : Calcul de \(\Delta H_f^\circ(\text{CO}, g)\)

Principe :

L'enthalpie de la réaction cible est la somme des enthalpies des réactions combinées.

Calcul :

\begin{aligned} \Delta H_f^\circ(\text{CO}, g) &= \Delta H_1^\circ + \Delta H_2'^\circ \\ &= (-393.5 \, \text{kJ/mol}) + (+283.0 \, \text{kJ/mol}) \\ &= -110.5 \, \text{kJ/mol} \end{aligned}

Résultat Question 4 : L'enthalpie standard de formation du monoxyde de carbone est \(\Delta H_f^\circ(\text{CO}, g) = -110.5 \, \text{kJ/mol}\).

Quiz Rapide : Testez vos connaissances

1. La loi de Hess est une conséquence directe du fait que l'enthalpie est :

Une grandeur intensive.
Toujours positive.
Une fonction d'état.
Une mesure du désordre.

2. Si on multiplie par 2 tous les coefficients d'une équation chimique, que devient son \(\Delta H^\circ\) ?

Il reste identique.
Il est multiplié par 2.
Il est divisé par 2.
Il est élevé au carré.

Glossaire

Loi de Hess: Principe fondamental de la thermochimie qui énonce que si une réaction peut être écrite comme la somme de plusieurs étapes, sa variation d'enthalpie est la somme des variations d'enthalpie de ces étapes.
Enthalpie de Réaction (\(\Delta H_r\)): Quantité de chaleur absorbée ou libérée par une réaction chimique effectuée à pression constante.
Enthalpie Standard de Formation (\(\Delta H_f^\circ\)): Variation d'enthalpie lors de la formation d'une mole d'un composé à partir de ses corps simples constituants, chacun dans son état standard le plus stable (ex: O₂(g), C(graphite)).
Fonction d'État: Propriété d'un système qui ne dépend que de son état actuel (P, V, T, ...), et non du chemin emprunté pour y parvenir. L'enthalpie, l'entropie et l'énergie interne sont des fonctions d'état.