Module 3 LA THERMOCHIMIE

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PROGRAMME D'ÉTUDES – CHIMIE 3239 89 Module 3 LA THERMOCHIMIE Résultats d'apprentissage spécifiques Durée suggérée : 30 heures
  • chaleur de réaction
  • chaleur massique
  • stratégies d'enseignement et d'apprentissage
  • calcul de la chaleur
  • changements des températures
  • changement de température
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  • système
Publié le : lundi 26 mars 2012
Lecture(s) : 117
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Module 3

LA THERMOCHIMIE
Résultats d’apprentissage spécifiques

Durée suggérée : 30 heures


PROGRAMME D’ÉTUDES – CHIMIE 3239 89 LA THERMOCHIMIE
Aperçu du module

Introduction L’énergie est l’essence de notre existence en tant qu’individu ou en
tant que société. L’abondance des combustibles d’origine fossile a
conduit le Monde à un appétit sans fin pour cette énergie.
L’utilisation des combustibles fossiles présente des avantages et des
inconvénients. Nous nous devons d’étudier la relation entre l’énergie
et la chimie afin de faciliter la recherche de combustibles de
remplacement. La thermochimie comprend l’étude des modifications
énergétiques accompagnant les processus physiques ou chimiques.
L’étude de la production d’énergie et l’application des modifications
chimiques à des situations pratiques ont permis à la société de faire
des progrès.



Objectif et contexte La thermochimie est l’étude de l’énergie dans divers systèmes. On
développera des habiletés ayant trait à la planification, à la rédaction
de rapports, à l’analyse et à l’évaluation des modifications
énergétiques. Les combustibles utilisés à des fins de production
d’énergie constituent le présent contexte pour des recherches et des
projets destinés aux élèves. Parmi ces combustibles, on pourrait
retrouver l’énergie destinée à l’industrie, l’énergie obtenue à partir de
nourriture et l’énergie dans tout autre contexte pertinent. Dans ce
module, on aidera les élèves à développer un intérêt pour les
problèmes énergétiques mondiaux et à étudier les solutions possibles
à un problème donné. Les travaux pratiques et les calculs effectués
permettront aux élèves de discuter de leurs résultats et de la
résolution de problème afin de renforcer leur compréhension des
modifications énergétiques.



Liens avec les autres programmes Dans le cours Sciences intégrées 1236, on a traité de l’équilibrage des
d’études de sciences équations chimiques. La chaleur et la température ont été traitées
dans le module sur la météo. Parmi les résultats d’apprentissage de
Chimie 2239 utiles pour le présent module, on retrouve : mesure de
quantités en mole, ainsi que les modifications énergétiques associées à
la rupture ou à la formation de liaisons.

PROGRAMME D’ÉTUDES – CHIMIE 3239 90 LA THERMOCHIMIE
Résultats d’apprentissage
STSE Habiletés Connaissances
L’élève doit pouvoir : L’élève doit pouvoir : L’élève doit pouvoir :

Conception et planification 308-2 expliquer la température au Nature des sciences et de la
212-3 concevoir une expérience en moyen du concept de l’énergie technologie
déterminant et en contrôlant les cinétique et du modèle particulaire de
principales variables la matière 114-5 décrire l’importance de l’examen
par des pairs lors du développement de 212-8 évaluer et choisir les appareils 324-1 écrire et équilibrer des
la connaissance scientifique appropriés pour obtenir des résultats et équations chimiques pour des
les processus appropriés pour résoudre réactions de combustion d’alcanes
Relation entre les sciences et la les problèmes, obtenir les
technologie 324-2 définir une réaction renseignements et prendre des décisions
endothermique, une réaction
Réalisation et enregistrement exothermique, la chaleur massique, 116-4 analyser et donner des exemples
l’enthalpie, l’énergie de liaison, la de développement de technologies 213-6 utiliser la bibliothèque et des
chaleur de réaction, et l’enthalpie basées sur la compréhension outils de recherche électroniques pour
scientifique molaire collecter l’information sur un sujet
donné 324-3 calculer et comparer l’énergie
Contextes social et environnemental
mise en jeu lors de changements d’état 2 13-7 sélectionner et intégrer des sciences et de la technologie
ou de réactions chimiques l’information provenant de diverses
sources écrites ou électroniques ou de 117-6 analyser pourquoi les activités 324-4 calculer les changements de
différentes parties d’une même source scientifiques et technologiques se niveaux d’énergie lors de diverses
déroulent dans une variété de contextes réactions chimiques au moyen de 213-8 sélectionner et utiliser des
individuels ou de groupe l’énergie de liaison, des chaleurs de appareils et du matériel de manière
formation et de la loi de Hess sécuritaire 117-7 identifier et décrire les carrières
en sciences et technologie reliées au 324-5 illustrer les changements Analyse et interprétation
domaine qu’ils sont en train d’étudier d’énergie lors de diverses réactions 214-3 compiler et présenter les résultats
chimiques au moyen de diagrammes
117-9 analyser les connaissances et les et l’information à la main ou de manière
d’énergie potentielle
aptitudes acquises lors de leur étude électronique, dans divers formats, y
dans ce domaine afin d’identifier de compris avec des diagrammes, des 324-6 déterminer expérimentalement
nouveaux domaines d’étude reliés aux tableaux, des graphiques et des les changements d’énergie lors de
diagrammes de dispersion sciences et à la technologie diverses réactions chimiques
214-6 appliquer et évaluer des 118-2 analyser sous divers angles les 324-7 comparer les enthalpies
méthodes pour prévoir les chaleurs de risques et les bénéfices pour la société et molaires de plusieurs réactions de
réaction l’environnement de l’application des combustion mettant en jeu des
connaissances scientifiques ou de composés organiques 214-15 proposer d’autres solutions à
l’introduction d’une technologie en un problème pratique donné, identifier
particulier ACC-8 définir, calculer et comparer les forces et les faiblesses potentielles de
les valeurs pour des combustibles chacune et en choisir une qui servira de 118-8 faire la distinction entre les
base à un plan problèmes qui peuvent être résolus par
la science et ceux qui ne peuvent pas Communication et travail d’équipe
l’être, et entre les problèmes qui
215-4 identifier plusieurs manières de peuvent être résolus par la technologie
faire ayant une influence sur une et ceux qui ne peuvent pas l’être
décision ou un problème relié à la
118-10 proposer des mesures à suivre science
pour résoudre des problèmes sociaux
215-6 travailler en coopération avec les reliés aux sciences et à la technologie,
membres de l’équipe afin de développer en tenant compte de diverses
et de mettre en œuvre un plan, et perspectives, y compris celle de la
résoudre les problèmes au fur et à durabilité
mesure qu’ils apparaissent
PROGRAMME D’ÉTUDES – CHIMIE 3239 91 LA THERMOCHIMIE
Température et énergie cinétique

Résultats d’apprentissage Stratégies d’enseignement et d’apprentissage
spécifiques

L’élève doit pouvoir :
• expliquer la température et la
chaleur au moyen du concept
de l’énergie cinétique et du
modèle particulaire de la
matière (308-2)

– définir la température en tant
Après avoir défini la température, l’enseignant pourrait utiliser les différences
que mesure de l’énergie
de température dans la classe pour illustrer les différences entre le
cinétique moyenne des
mouvement des particules et la chaleur. Par exemple, demander aux élèves
particules du système
de mettre une main sur leur pupitre. Le pupitre semble frais. Qu’arrive-t-il?
– identifier et décrire les La température de la main est supérieure à celle du pupitre, l’énergie
modifications du cinétique (E or EC) (mouvement des particules) dans la main est supérieure
C
déplacement des particules à celle (mouvement des particules) du pupitre. Le résultat est un transfert
dans des systèmes pour d’E des particules de la main vers celles du pupitre au fur et à mesure des
C
lesquels la modification collisions à l’interface. Ceci est un transfert de chaleur de la main vers le
d’énergie s’accompagne d’un pupitre.
changement de température
Des questions pourraient être utilisées pour amener les élèves à cette
– décrire la chaleur en tant que explication.
transfert d’énergie cinétique
d’un système à température
plus élevée (énergie cinétique

moyenne plus élevée) vers un
système à température plus
basse (énergie cinétique

moyenne plus basse) quand
ces deux systèmes sont en
contact thermique


• calculer et comparer l’énergie
mise en jeu lors de

changements de température
(324-3) À chaque fois qu’il y a un changement de température, le changement d’E
C
– définir les termes suivants : peut être déterminé à partir de données obtenues expérimentalement ou de
joule, capacité calorifique, données fournies, en utilisant le premier principe de la thermodynamique.
chaleur massique




PROGRAMME D’ÉTUDES – CHIMIE 3239 92 LA THERMOCHIMIE
Température et énergie cinétique

Exemples d’activités d’apprentissage et d’évaluation Ressources et notes

Papier et crayon
• Les élèves pourraient faire la distinction entre la température et

la chaleur en reliant ces concepts à l’énergie des atomes et des
molécules. (324-3)

Journal
• Dans leur cahier de sciences, les élèves pourraient répondre aux Chenelière/MGH
questions suivantes : Chimie 12, p. 222
Chimie 11, p. 593 – Expliquer pourquoi lors d’une chaude journée d’été à la plage,
le sable peut être assez chaud pour ne pouvoir marcher dessus
pieds nus, alors que l’eau est très froide.
Chenelière/MGH
− Qu’arrive-t-il quand la lumière directe du soleil est bloquée par
Chimie 12, p. 234-235
un nuage? Quel effet cela a-t-il sur la température du sable et de

l’eau? (308-2, 117-7, 324-7)
• On pourrait dire aux élèves qu’ils peuvent utiliser une balance
pour déterminer la masse de leur substance uniquement lorsque
celle-ci est à la température ambiante. Ils devraient expliquer
pourquoi. (116-4, 308-2)
• On pourrait demander aux élèves : « Pourquoi est-il bon de
remplir sa bouteille thermos avec de l’eau chaude avant de la

remplir d’une boisson chaude? » (114-5, 215-4, 308-2)
• Un chimiste écossais, Joseph Black (1728–1799), a fait le
différence entre la température et l’énergie thermique. Les élèves
pourraient discuter de cette différence. Ils devraient donner un
exemple d’expérience montrant que deux objets à la même
température n’ont pas nécessairement la même énergie
thermique. (308-2, 324-2, 212-3)







Chenelière/MGH
Chimie 12, p. 222, 234-235


PROGRAMME D’ÉTUDES – CHIMIE 3239 93 LA THERMOCHIMIE
Calcul de la chaleur

Résultats d’apprentissage Stratégies d’enseignement et d’apprentissage
spécifiques

L’élève doit pouvoir : Les élèves doivent comprendre que le changement de température dépend
du type de matière et de sa masse, qui devraient être illustrés au moyen des • calculer et comparer l’énergie
concepts de la capacité calorifique (C) et de chaleur massique (c). Par mise en jeu lors de
exemple, vous voulez faire bouillir de l’eau pour vous faire une tasse de thé. changements de température
Pourquoi y arriverez-vous plus vite si vous mettez 250 mL d’eau dans la (324-3) (suite)
bouilloire plutôt que 2000 mL? Ceci renforce le concept de l’importance de
− déterminer que la quantité de
la masse pour l’énergie gagnée ou perdue.
chaleur perdue ou gagnée par
Par exemple, il faut plus d’énergie pour élever de 200 °C la température
un objet dépend: du type de
d’une poêle à frire de 1 kg en aluminium que pour élever de 200 °C la
matière, du changement de
température d’une poêle à frire de 1 kg en acier. Pourquoi? Ceci renforce le
température de la matière et
concept de l’importance du type de matière pour l’énergie gagnée ou perdue.
de la masse de la matière
Ceci conduit à l’explication de la chaleur massique et des calculs connexes.
− faire des calculs mettant en
Par exemple, un morceau de fer de 20,0 g a une capacité calorifique de
jeu la capacité calorifique, C,
8,88 J/°C. Calculer la chaleur massique du fer. Un autre exemple : la chaleur
et la chaleur massique, c
massique de l’aluminium est de 0,890 J/g°C, calculer la capacité calorifique
− faire la distinction entre un d’une casserole en aluminium de 500 g. Consulter le tableau des valeurs de
système et son chaleur massique à titre de comparaison. Le calcul précédent peut
environnement et la relation rapidement conduire au calcul de la chaleur perdue ou gagnée en utilisant la
de chacun d’eux avec formule q= mcΔT . On peut utiliser l’eau et sa chaleur massique pour
l’Univers présenter la formule susmentionnée au moyen de problèmes simples.
− définir les systèmes ouverts,
Voici quelques exemples de problèmes :
fermés et isolés
i) Combien faut-il d’énergie (q) pour élever la température de 1,00 g
− montrer et expliquer que
d’eau de 1,00 °C? Les élèves répondront rapidement 4,18 J, car c’est la
l’énergie peut être échangée
valeur de la chaleur massique de l’eau.
par un système et son
ii) Combien faut-il d’énergie (q) pour élever la température de 2,00 g environnement par perte ou
d’eau de 1,00 °C? Réponse : 8,36 J. Pourquoi? gain de chaleur par un
système iii) Combien faut-il d’énergie (q) pour élever la température de 2,00 g
(q = •q ) système environnement d’eau de 2,00 °C? Réponse : 16,7 J. Pourquoi?
− donner le premier principe
iv) Combien faut-il d’énergie (q) pour élever la température de 511 g
de la thermodynamique et
d’eau de 26,3 °C? Les élèves doivent utiliser une formule pour obtenir
l’appliquer pour déterminer
la réponse exacte. Quelle est cette formule?
la chaleur contenue dans un
Énergie = (masse) × (chaleur massique) × (différence de température) objet
q= mcΔT

Faire des exercices au moyen de cette formule en calculant une des variables
q, m, c ou ΔT à partir de la valeur des trois autres. Les enseignants devraient
noter que le niveau mathématique de certains élèves peut être bas pour leur
permettre de réarranger la formule. Par exemple, combien d’énergie est
perdue quand une boîte à lettres en aluminium de 400,0 g, passe de 26,2 à
12,4 °C?
PROGRAMME D’ÉTUDES – CHIMIE 3239 94 LA THERMOCHIMIE
Calcul de la chaleur

Exemples d’activités d’apprentissage et d’évaluation Ressources et notes

Performance
• Les élèves pourraient calculer ce qui contient le plus de chaleur :

250,0 mL d’eau à 90 °C ou 20 000,0 mL d’eau à 30 °C? Ils
devraient expliquer qualitativement et quantitativement leur
résultat. (324-3)
Chenelière/MGH
Chimie 12, p. 234-235
Papier et crayon
Chimie 11, p. 595-596
• Chaleur perdue égale chaleur gagnée. Les élèves pourraient
expliquer cette hypothèse. (324-3)
Chenelière/MGH
Chimie 11, p. 596-599 Présentation
• Pour une réaction donnée, les élèves pourraient établir que la loi
de la conservation de l’énergie a été observée. (324-5, 214-3)
Chenelière/MGH • Les élèves pourraient étudier des applications industrielles de la
Chimie 12, p. 221-222 capacité calorifique. Par exemple, réfrigérateur, systèmes
domestiques de chauffage et conception de la vaisselle. (324-3)





























PROGRAMME D’ÉTUDES – CHIMIE 3239 95 LA THERMOCHIMIE
Calcul de la chaleur (suite)

Résultats d’apprentissage Stratégies d’enseignement et d’apprentissage
spécifiques

L’élève doit pouvoir : Une fois que les élèves auront compris les concepts C, c, ΔT et le calcul de
l’énergie (q) perdue ou gagnée, la notion à l’effet que la chaleur perdue par
• calculer et comparer l’énergie une substance est gagnée par d’autres doit aussi être comprise, puisque
mise en jeu lors de l’énergie est toujours conservée dans tous les procédés (première loi de la
changements de température thermodynamique). Ceci conduit à l’équation, q = -q , qui peut
système environnement
(324-3) (suite) être appliquée à des données expérimentales et à des problèmes qui
− définir un calorimètre et permettent de déterminer la chaleur massique (c) ou la capacité calorifique
l’identifier comme appareil (C) de substances ou d’objets spécifiques. Le procédé expérimental est appelé
de base pour la mesure du
calorimétrie et le contenant isolé utilisé pour de telles expériences est un
transfert de chaleur
calorimètre.
− calculer la chaleur gagnée ou

perdue par un système en
Par exemple, 10,0 g de métal X à 280,0 °C sont plongés dans 200,0 mL utilisant les formules
d’eau à 20,0 °C dans un calorimètre. Le métal X et l’eau atteignent un q= mcΔT ou q= CΔT
équilibre thermique (même température) à 25,0 °C. Calculer la chaleur dans lesquelles c est la chaleur
massique du métal X. massique, C est la capacité
Solution : Chaleur perdue = chaleur gagnée (q = -q ) calorifique et ΔT est le système environnement
changement de température
(mc)T) = -(mc)T)
X eau
)T = T – T = 25,0 °C – 280,0 °C = -255,0 °C
X f i
)T = T – T = 25,0 °C – 20,0 °C = +5,0 °C
eau f i

C = -(mc)T) / mc)T)
x eau x
= - (200,0 g)(4,18 J/g°C)(5,0 °C) / (10,0 g)(- 255,0 °C)
= 1,6 J/g°C
On utilise souvent un simple graphique de la température en fonction du
temps pour résoudre un tel problème.









Les élèves devraient résoudre des problèmes ayant pour solution une des 6
variables m, c, )T de X, ou m, c, )T de l’eau. Les capacités calorifiques
peuvent aussi être introduites dans de tels problèmes.
PROGRAMME D’ÉTUDES – CHIMIE 3239 96 LA THERMOCHIMIE
Calcul de la chaleur (suite)

Exemples d’activités d’apprentissage et d’évaluation Ressources et notes

Journal

• Le calorimètre est un appareil de base pour la mesure du transfert
Chenelière/MGH de chaleur. Les élèves pourraient expliquer ce qu’est un
Chimie 11, p. 601-604 calorimètre, comment il permet de mesurer le transfert de chaleur
et comment il fonctionne. (324-3)



Papier et crayon
Chenelière/MGH
• Les élèves pourraient expliquer ce qu’on entend par les termes
Chimie 11, p. 604-605 suivants : chaleur massique, chaleur de réaction et enthalpie
molaire. (324-2, 324-3)

• Lors de la préparation d’un des travaux pratiques du présent
module, les élèves devraient dresser une liste des aptitudes et des
connaissances requises pour bien faire ces travaux. (324-3, 117-9)
• Les élèves pourraient calculer la chaleur gagnée ou perdue par les
systèmes suivants :
– Un morceau de métal de 100,0 g à – 30,0 °C a été plongé dans
300,0 g d’eau à 35 °C. La température de l’eau descend à
32,0 °C. Les élèves pourraient calculer la chaleur massique de
ce métal. (324-2, 324-3)
• HCl + NaOH → NaCl + H O (aq) (aq) (aq) 2 (l)
Quand 50,0 mL de HCl à 1,00 mol/L et 50,0 mL de (aq)
NaOH à 1,00 mol/L sont mélangés dans un calorimètre à (aq)
contenant en styromousse, la température de la solution obtenue
passe de 21,0 à 27,5 °C. Les élèves pourraient calculer la chaleur
de cette réaction (mesurée en kilojoule par mole de HCl ). (aq)
(324-2, 324-3)














PROGRAMME D’ÉTUDES – CHIMIE 3239 97 LA THERMOCHIMIE
Changement d’enthalpie

Résultats d’apprentissage Stratégies d’enseignement et d’apprentissage
spécifiques

L’élève doit pouvoir :
• définir l’enthalpie, un
Le changement d’enthalpie ()H) est l’énergie perdue ou gagnée lors d’un
processus endothermique, un
processus (réaction chimique ou changement de phase) à pression constante.
processus exothermique et
À titre de comparaison, les valeurs de )H pour un processus spécifique sont
l’enthalpie molaire (324-2)
données en kJ/mol.
• calculer et comparer l’énergie
Les élèves devraient écrire des équations thermochimiques pour représenter mise en jeu lors de
la notion d’enthalpie. Par exemple, )H et )H.
comb fchangements d’état ou lors de
réactions chimiques (324-3) Les valeurs de )H pour des processus peuvent être données en écrivant la
valeur de )H immédiatement après l’équation ou en l’incluant directement − utiliser et interpréter le
dans les équations. changement d’enthalpie
(ΔH ) pour donner les
Par exemple : changements d’énergie
− montrer et expliquer que les H + 1/2 O → H O )H = -286 kJ/mol
2 (g) 2 (g) 2 (l)
modifications chimiques et
Le signe de )H est négatif pour un processus exothermique (de l’énergie est les changements de phase ne
dégagée par la réaction) et positif pour un processus endothermique (la mettent en jeu que des
réaction consomme de l’énergie). changements d’énergie
potentielle H + 1/2 O → H O + 286 kJ/mol
2 (g) 2 (g) 2 (l)
− expliquer que de l’énergie est On peut aussi utiliser des diagrammes d’enthalpie pour représenter le )H de
requise par un système à réactions. Dans le diagramme suivant on donne la différence d’énergie
chaque fois que les forces potentielle (E ou EP) des réactifs et des produits et )H.
P
d’attraction entre des
particules sont rompues et
que l’énergie est dégagée par
le système quand de
nouvelles forces d’attraction
entre des particules se
matérialisent (rupture de
liaison et formation de
liaison)







PROGRAMME D’ÉTUDES – CHIMIE 3239 98

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