Plan de leçon | Plan de leçon Tradisional | Thermochimie : Enthalpie par Liaison

Objectifs

Durée: (10 - 15 minutes)

Cette séquence vise à offrir aux élèves une compréhension claire et approfondie des notions fondamentales d’enthalpie et d’énergie de liaison. Ils pourront ainsi appliquer ces concepts dans des calculs pratiques, renforçant leur capacité à résoudre des problèmes liés aux réactions chimiques, une compétence essentielle pour progresser en chimie.

Objectifs Utama:

1. Expliquer le concept d’enthalpie et son importance dans les réactions chimiques.

2. Apprendre à repérer et calculer les énergies de liaison dans les réactifs et les produits.

3. Montrer comment utiliser la formule de l’enthalpie de réaction pour résoudre des cas concrets.

Introduction

Durée: (10 - 15 minutes)

L’objectif ici est d’introduire de manière captivante le concept d’enthalpie et son importance concrète. Cette mise en bouche prépare le terrain pour aborder des notions plus complexes ultérieurement, tout en aidant les élèves à comprendre comment ces concepts s’appliquent dans la vie réelle.

Le saviez-vous ?

Un détail intéressant : les carburants que nous utilisons quotidiennement, comme l’essence ou le gaz naturel, libèrent une quantité importante d’énergie grâce aux réactions de combustion. C’est cette énergie, calculée à partir de l’enthalpie des réactions, qui permet à nos véhicules de fonctionner et à nos maisons d’être chauffées.

Contextualisation

Démarrez le cours en expliquant que la thermochimie est une branche de la chimie qui étudie les liens entre les réactions chimiques et les variations énergétiques, en particulier sous forme de chaleur. Soulignez que l’enthalpie est une grandeur thermodynamique utilisée pour mesurer l’énergie échangée lors de ces réactions. Mettez en avant que grâce à la compréhension de l’enthalpie et des énergies de liaison, il est possible de prévoir si une réaction sera exothermique (libérant de la chaleur) ou endothermique (absorbant de la chaleur), ce qui a des retombées importantes dans de nombreux domaines, de l’ingénierie chimique à la biochimie.

Concepts

Durée: (45 - 50 minutes)

Cette phase a pour but d’approfondir la compréhension des élèves sur les concepts d’enthalpie et d’énergie de liaison et de leur montrer comment appliquer ces notions pour calculer l’enthalpie des réactions chimiques. L’idée est de les rendre capables de résoudre des exercices concrets et d’interpréter les résultats obtenus.

Sujets pertinents

1. Notion d’Enthalpie : Définissez ce qu’est l’enthalpie en insistant sur le fait qu’elle représente une mesure de l’énergie dans un système thermodynamique. Précisez qu’elle est une fonction d’état, dépendant seulement des états initial et final, et non du parcours suivi.

2. Énergie de Liaison : Expliquez que l’énergie de liaison correspond à l’énergie nécessaire pour rompre une liaison chimique dans une molécule. Rappelez que cette énergie est toujours positive, puisqu’il faut en fournir pour casser une liaison.

3. Calcul de l’Enthalpie de Réaction : Introduisez la formule de calcul de l’enthalpie d’une réaction chimique à partir des énergies de liaison : ΔH = Σ(Énergies de liaison des réactifs) - Σ(Énergies de liaison des produits). Décrivez pas à pas son application.

4. Exemple Pratique : Proposez un exemple détaillé, comme le calcul de l’enthalpie de réaction lors de la formation de l’eau (H₂ + ½O₂ → H₂O) en utilisant les énergies de liaison des molécules concernées.

5. Interprétation des Résultats : Montrez comment tirer des conclusions à partir du calcul de l’enthalpie de réaction. Expliquez comment déterminer si la réaction est exothermique (libération de chaleur) ou endothermique (absorption de chaleur) en fonction du signe de ΔH.

Pour renforcer l'apprentissage

1. Calculez l’enthalpie de réaction pour la décomposition de l’ammoniac (2NH₃ → N₂ + 3H₂) en utilisant les énergies de liaison suivantes : N-H (391 kJ/mol), N≡N (945 kJ/mol), H-H (436 kJ/mol).

2. Expliquez pourquoi l’enthalpie d’une réaction est une fonction d’état. Illustrez votre réponse avec un exemple.

3. Déterminez si la réaction suivante est exothermique ou endothermique : C₂H₂ + H₂ → C₂H₄, en utilisant les énergies de liaison suivantes : C≡C (839 kJ/mol), C-H (413 kJ/mol), C-C (348 kJ/mol), H-H (436 kJ/mol).

Retour

Durée: (20 - 25 minutes)

Cette étape permet de consolider les acquis des élèves en révisant de manière détaillée et en discutant des solutions proposées. Elle offre l’opportunité de lever les doutes, de renforcer la compréhension des concepts et d’améliorer les compétences en résolution de problèmes, le tout favorisant un engagement actif par des échanges critiques et réfléchis.

Diskusi Concepts

1. Question 1 : Calculez l’enthalpie de réaction pour la décomposition de l’ammoniac (2NH₃ → N₂ + 3H₂) en utilisant les énergies de liaison suivantes : N-H (391 kJ/mol), N≡N (945 kJ/mol), H-H (436 kJ/mol). 2. Solution : Commencez par calculer l’énergie totale de liaison des réactifs et des produits. Pour les réactifs : 2 NH₃ comportent 6 liaisons N-H, soit 6 x 391 kJ/mol = 2346 kJ/mol. Pour les produits : 1 N₂ a une liaison N≡N (945 kJ/mol) et 3 H₂ comportent 3 liaisons H-H (3 x 436 kJ/mol = 1308 kJ/mol). L’énergie totale pour les produits est donc de 945 kJ/mol + 1308 kJ/mol = 2253 kJ/mol. On trouve ainsi ΔH = 2346 kJ/mol - 2253 kJ/mol = 93 kJ/mol. 3. Question 2 : Expliquez pourquoi l’enthalpie d’une réaction est une fonction d’état. Illustrez votre réponse par un exemple. 4. Solution : L’enthalpie est une fonction d’état car elle dépend uniquement de l’état initial et final d’un système, indépendamment du trajet suivi. Par exemple, que l’eau soit formée directement (H₂ + ½O₂ → H₂O) ou en passant par plusieurs étapes intermédiaires, l’enthalpie de formation reste la même puisque seuls les états initiaux (H₂ et O₂) et final (H₂O) comptent. 5. Question 3 : Déterminez si la réaction suivante est exothermique ou endothermique : C₂H₂ + H₂ → C₂H₄, avec les énergies de liaison : C≡C (839 kJ/mol), C-H (413 kJ/mol), C-C (348 kJ/mol), H-H (436 kJ/mol). 6. Solution : Calculez l’énergie totale de liaison des réactifs et des produits. Pour les réactifs : C₂H₂ possède 2 liaisons C-H et 1 liaison C≡C (2 x 413 kJ/mol + 839 kJ/mol = 1665 kJ/mol) et H₂ apporte 1 liaison H-H (436 kJ/mol). Le total est donc de 1665 kJ/mol + 436 kJ/mol = 2101 kJ/mol. Pour les produits : C₂H₄ comporte 4 liaisons C-H et 1 liaison C-C (4 x 413 kJ/mol + 348 kJ/mol = 2000 kJ/mol). On obtient ainsi ΔH = 2101 kJ/mol - 2000 kJ/mol = 101 kJ/mol. Comme ΔH est positif, la réaction est endothermique.

Engager les étudiants

1. Quelles conséquences pratiques peut-on tirer d’une réaction exothermique ou endothermique en termes d’énergie libérée ou absorbée ? 2. En quoi l’enthalpie est-elle liée à l’énergie interne d’un système ? 3. Comment l’analyse des énergies de liaison peut-elle être utile dans des domaines comme l’ingénierie chimique ou la biochimie ? 4. Quelles erreurs pourraient survenir lors d’un calcul d’enthalpie et comment les éviter ? 5. De quelle manière l’enthalpie influence-t-elle le choix des carburants pour différentes applications ?

Conclusion

Durée: (5 - 10 minutes)

L’objectif final est de récapituler et de consolider les principaux concepts abordés, afin de renforcer la compréhension globale des élèves. En insistant sur les applications concrètes et la pertinence des notions apprises, on vise à les encourager à réfléchir à l’importance de ces savoirs pour leur avenir professionnel et personnel.

Résumé

['Thermochimie : étude des relations entre réactions chimiques et variations énergétiques, notamment la chaleur.', 'Enthalpie : grandeur thermodynamique mesurant l’énergie échangée lors des réactions chimiques.', 'Énergie de Liaison : énergie nécessaire pour rompre une liaison chimique.', 'Calcul de l’Enthalpie de Réaction : utilisation de la formule ΔH = Σ(Énergies de liaison des réactifs) - Σ(Énergies de liaison des produits).', 'Interprétation de ΔH : identification des réactions exothermiques (libération de chaleur) et endothermiques (absorption de chaleur).']

Connexion

Ce cours a établi un lien entre théorie et pratique en montrant aux élèves comment calculer l’enthalpie d’une réaction à partir des énergies de liaison, grâce à des exemples concrets. Cette approche illustre bien comment des concepts théoriques s’appliquent à des situations réelles, ce qui est essentiel pour comprendre les réactions chimiques en contexte professionnel, que ce soit en ingénierie ou en biochimie.

Pertinence du thème

La compréhension de l’enthalpie et des énergies de liaison est fondamentale pour appréhender des phénomènes quotidiens, comme la combustion des carburants utilisés pour nos véhicules et le chauffage domestique. Ces notions sont aussi cruciales dans le développement de nouveaux matériaux et médicaments, démontrant ainsi l’utilité pratique de la thermochimie dans divers domaines scientifiques et technologiques.