- définir et utiliser les termes : (a) enthalpie d'atomisation, $\Delta H_{\text{at}}$ (b) énergie réticulaire, $\Delta H_{\text{latt}}$ (le changement des ions en phase gazeuse vers le réseau solide)
- (a) définir et utiliser le terme première affinité électronique, EA (b) expliquer les facteurs affectant les affinités électroniques des éléments (c) décrire et expliquer les tendances des affinités électroniques des éléments du Groupe 16 et du Groupe 17
- construire et utiliser des cycles de Born–Haber pour les solides ioniques (limité aux cations +1 et +2, anions –1 et –2)
- effectuer des calculs impliquant des cycles de Born–Haber
- expliquer, en termes qualitatifs, l'effet de la charge ionique et du rayon ionique sur la grandeur numérique d'une énergie réticulaire
Énergétique chimique
Chimie A-Level · Sujet 23
8:02
Énergétique chimique (A2)
Le sodium est un métal mou qui brûle dans l'air. Le chlore est un gaz asphyxiant et toxique. On les met ensemble et on obtient du sel de table. En faire un mole dégage une…
Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés
23.1
Énergie réticulaire et cycles de Born–Haber
Programme
Source : Programme Cambridge International
Ces cycles utilisent plusieurs variations d'enthalpie 焓变 ($\Delta H$). Deux nouvelles sont :
- la variation d'enthalpie d'atomisation 原子化焓变, $\Delta H_{\text{at}}$ — l'énergie pour former une mole d'atomes gazeux à partir d'un élément. Elle est toujours positive (des liaisons doivent se rompre).
- l'énergie réticulaire 晶格能, $\Delta H_{\text{latt}}$ — la variation d'énergie lorsqu'une mole d'un réseau ionique solide se forme à partir de ses ions gazeux. Elle est toujours négative (de fortes liaisons se forment).
*Un solide ionique tel que le chlorure de sodium est un réseau géant régulier d'ions — l'énergie réticulaire est libérée lors de sa formation
Affinité électronique
La première affinité électronique 电子亲和能 (EA) est le changement d'énergie lorsqu'une mole d'atomes gazeux chacun gagne un électron pour former une mole d'ions $1-$. La première EA est généralement négative.
Les mêmes facteurs que pour l'énergie d'ionisation s'appliquent (charge nucléaire, rayon atomique, blindage). En descendant dans le groupe 16 ou 17, l'AE devient moins exothermique, car l'atome est plus grand et attire moins fortement l'électron supplémentaire. (Le tout premier élément est une exception : son atome est si petit que la répulsion électronique rend son AE moins exothermique que celui de l'élément situé en dessous.)
Cycles de Born–Haber
Un cycle de Born–Haber 玻恩哈伯循环 est un cycle énergétique qui relie la variation d'enthalpie de formation d'un solide ionique à sa atomisation, son énergie d'ionisation, son affinité électronique et son énergie réticulaire. En utilisant la loi de Hess, on parcourt le cycle pour trouver n'importe quelle étape inconnue. (On a seulement besoin des cations $+1$ et $+2$ et des anions $-1$ et $-2$.)
Exemple résolu. Trouvez l'énergie réticulaire du chlorure de sodium à partir de ces données (kJ mol⁻¹) : enthalpie de formation $\Delta H_f = -411$ ; atomisation $\Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) = +107$ et $\Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) = +122$ ; première énergie d'ionisation de Na $= +496$ ; affinité électronique de Cl $= -349$.
Par la loi de Hess, la voie de formation directe équivaut à la voie montant puis faisant le tour du cycle :
$$\Delta H_f = \Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) + \Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) + \text{IE}_1 + \text{EA} + \Delta H_{\text{latt}},$$
donc $\Delta H_{\text{latt}} = -411 - (107 + 122 + 496 - 349) = -787\ \text{kJ mol}^{-1}.$
Ce qui contrôle l'ampleur d'une énergie réticulaire
L'énergie réticulaire est plus négative (plus forte) lorsque :
- la charge ionique est élevée (par exemple, $\text{Mg}^{2+}$ l'emporte sur $\text{Na}^+$).
- le rayon ionique est faible.
Ces deux facteurs rendent l'attraction entre les ions plus forte.
Explorer
Le cycle de Born–Haber
L'énergie réticulaire ne peut pas être mesurée directement, elle est donc déterminée à partir d'un cycle d'étapes mesurables.
Vocabulaire
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| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| enthalpy change/enˈθælpi tʃeɪndʒ/ | 焓变 | hán biàn |
| enthalpy change of atomisation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv əˌtɒmaɪˈzeɪʃn/ | 原子化焓变 | yuán zi huà hán biàn |
| lattice energy/ˈlætɪs ˈenədʒi/ | 晶格能 | jīng gé néng |
| electron affinity/ɪˈlektrɒn əˈfɪnɪti/ | 电子亲和能 | diàn zi qīn hé néng |
| Born–Haber cycle/bɔːn ˈheɪbə ˈsaɪkl/ | 玻恩哈伯循环 | bō ēn hā bó xún huán |
| enthalpy change of hydration/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv haɪˈdreɪʃn/ | 水合焓变 | shuǐ hé hán biàn |
| enthalpy change of solution/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv səˈluːʃn/ | 溶解焓变 | róng jiě hán biàn |
23.2
Enthalpies de solution et d'hydratation
Programme
- définir et utiliser le terme enthalpie changeant en référence à l'hydratation, $\Delta H_{\text{hyd}}$, et à la solution, $\Delta H_{\text{sol}}$
- construire et utiliser un cycle énergétique impliquant l'enthalpie changeant de solution, l'énergie réticulaire et l'enthalpie changeant d'hydratation
- effectuer des calculs impliquant les cycles énergétiques de 23.2.2
- expliquer, en termes qualitatifs, l'effet de la charge ionique et du rayon ionique sur la grandeur numérique d'une enthalpie changeant d'hydratation
Source : Programme Cambridge International
- la variation d'enthalpie d'hydratation 水合焓变, $\Delta H_{\text{hyd}}$ — le changement d'énergie lorsqu'une mole d'ions gazeux est entourée d'eau pour former des ions en solution aqueuse. C'est un processus exothermique.
- la variation d'enthalpie de solution 溶解焓变, $\Delta H_{\text{sol}}$ — le changement d'énergie lorsqu'une mole de soluté se dissout entièrement dans l'eau.
Un cycle énergétique relie les trois concepts :
$$\Delta H_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$
(Pour dissoudre, il faut d'abord désagréger le réseau cristallin, puis hydrater les ions.) Comme l'énergie réticulaire, $\Delta H_{\text{hyd}}$ est plus exothermique pour les ions ayant une charge plus élevée et un rayon plus faible.
Explorer
Laboratoire sur l'enthalpie de solution
deltaHsol = énergie réticulaire + termes d'hydratation
Faire varier la force d'hydratation et observer le déplacement de l'enthalpie de solution.
23.3
Variation d'entropie, ΔS
Programme
- définir le terme entropie, $S$, comme le nombre d'arrangements possibles des particules et de leur énergie dans un système donné
- prédire et expliquer le signe des changements d'entropie qui se produisent : (a) lors d'un changement d'état, ex. fusion, ébullition et dissolution (et leurs inverses) (b) lors d'un changement de température (c) lors d'une réaction où il y a un changement du nombre de molécules gazeuses
- calculer le changement d'entropie pour une réaction, $\Delta S$, étant donné les entropies standards, $S^\ominus$, des réactifs et des produits, $\Delta S^\ominus = \Sigma S^\ominus \text{(products)} - \Sigma S^\ominus \text{(reactants)}$ (l'utilisation de $\Delta S^\ominus = \Delta S^\ominus_{\text{surr}} + \Delta S^\ominus_{\text{sys}}$ n'est pas requise)
Source : Programme Cambridge International
L'entropie 熵 ($S$) mesure le nombre de façons dont les particules et leur énergie peuvent être disposées dans un système. Plus de façons signifie plus de "désordre".
La variation d'entropie 熵变 ($\Delta S$) est positif lorsque le désordre augmente, et négative lorsqu'il diminue :
| Changement | Signe de $\Delta S$ |
|---|---|
| solide → liquide → gaz (fusion, ébullition), ou dissolution | positif |
| une augmentation de température | positif |
| une réaction produisant plus de molécules gazeuses | positif |
| une réaction produisant moins de molécules gazeuses | négative |
Vous pouvez la calculer à partir des entropies standards :
$$\Delta S^{\ominus} = \sum S^{\ominus}(\text{products}) - \sum S^{\ominus}(\text{reactants})$$
Explorer
Laboratoire sur la variation d'entropie
deltaS = désordre des produits - désordre des réactifs
Augmenter le désordre et voir la variation d'entropie devenir plus positive.
Vocabulaire
Entrainer
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| entropy/ˈentrəpi/ | 熵 | shāng |
| entropy change/ˈentrəpi tʃeɪndʒ/ | 熵变 | shāng biàn |
| Gibbs free energy/ɡɪbz friː ˈenədʒi/ | 吉布斯自由能 | jí bù sī zì yóu néng |
23.4
Variation d'énergie libre de Gibbs, ΔG
Programme
- énoncer et utiliser l'équation de Gibbs $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$
- effectuer des calculs en utilisant l'équation $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$
- déterminer si une réaction ou un processus sera faisable en utilisant le signe de $\Delta G$
- prédire l'effet d'un changement de température sur la faisabilité d'une réaction, étant donnés les changements d'enthalpie et d'entropie standards
Source : Programme Cambridge International
La variation d'énergie libre de Gibbs 吉布斯自由能 change décide si une réaction peut se produire spontanément :
$$\Delta G^{\ominus} = \Delta H^{\ominus} - T\Delta S^{\ominus}$$
Ici $T$ est la température en kelvin. Une réaction est faisable (elle peut se produire) lorsque $\Delta G$ est négatif ou nul. La faisabilité 可行性 dépend donc de la température :
| $\Delta H$ | $\Delta S$ | Quand c'est faisable |
|---|---|---|
| négatif | positif | à toutes les températures |
| positif | positif | seulement à haute température |
| négatif | négatif | seulement à basse température |
| positif | négatif | jamais |
Pour trouver la température de transition, posez $\Delta G = 0$, ce qui donne $T = \Delta H / \Delta S$.
Exemple résolu. Une réaction a $\Delta H = +120\ \text{kJ mol}^{-1}$ et $\Delta S = +200\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Trouvez $\Delta G$ à $298\ \text{K}$, et la température au-dessus de laquelle la réaction devient faisable.
D'abord harmonisez les unités : $\Delta S = +0.200\ \text{kJ K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Ensuite
$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S = 120 - 298 \times 0.200 = +60\ \text{kJ mol}^{-1}\quad(\text{positive, so not yet feasible}).$$
En posant $\Delta G = 0$, on obtient $T = \Delta H/\Delta S = 120/0.200 = 600\ \text{K}$, donc la réaction est faisable au-dessus de $600\ \text{K}$.
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Laboratoire sur l'énergie libre de Gibbs
deltaG = deltaH - T deltaS
Déplacer la température et voir quand deltaG devient négatif.
Vocabulaire
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| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| feasibility/ˌfiːzɪˈbɪlɪti/ | 可行性 | kě xíng xìng |
23.4
Conseils d'examen
- Dans un cycle de Born–Haber, assurez-vous que la direction et le signe de chaque étape sont corrects (atomisation, ionisation $+$ ; affinité électronique, formation réticulaire $-$) et appliquez la loi de Hess autour du cycle.
- L'énergie réticulaire est plus exothermique pour les ions plus petits et à charge plus élevée (densité de charge plus élevée).
- Prédisez le signe de $\Delta S$ à partir des changements d'état (plus de moles gazeuses = plus de désordre).
- Utilisez $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$ ; faisable lorsque $\Delta G \le 0$ — convertissez $\Delta S$ de $\text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$ ($\div 1000$).
Leçons interactives sur ce sujet
Traversez-le étape par étape, avec des exercices à vérification instantanée.