Enthalpie de réaction

Source : Smaa Koraym de l’Université Johns Hopkins, MD, États-Unis

1. Collecte de données pour le calcul de la capacité thermique d’un calorimètreexpand

   Cette expérience utilisera un calorimètre à pression constante composé de deux gobelets en polystyrène empilés, d’un couvercle en carton et d’une sonde mesurant la température d’une solution en temps réel. Le polystyrène est un bon isolant, vous pouvez donc supposer qu’aucune chaleur n’est échangée entre l’intérieur et l’extérieur des tasses. Le calorimètre lui-même absorbera une partie de la chaleur, dont vous tiendrez compte en calculant sa capacité thermique.

   Dans la première partie de cette expérience, vous allez ajouter de l'eau chaude à de l'eau froide dans le calorimètre et mesurer l'augmentation de la température. Après l'expérience, vous allez calculer la quantité de chaleur que l'eau chaude a perdue dans le calorimètre, plutôt que dans l'eau froide.

   • Mettez une blouse de laboratoire, des lunettes de sécurité ou des lunettes de protection résistantes aux éclaboussures et des gants jetables. Assurez-vous que votre hotte est propre et prête à l’emploi et que votre verrerie est propre et en bon état.
   • Pour commencer le laboratoire, empilez deux godets en polystyrène pour former le récipient isolé du calorimètre. Placez une barre d’agitation magnétique dans le calorimètre.
   • Mesurez la masse combinée des gobelets vides et de la barre d’agitation sur une balance à chargement par le haut remise à zéro. Enregistrez-le dans votre cahier de laboratoire sous la forme de la masse calorimétrique vide et retournez-le dans votre hotte.

     Tableau 1 : Étalonnage du calorimètre

     Calorimètre de masse vide (g)
     Calorimètre de masse + eau froide (g)
     Massed’eau froide (g)
     Tinitiale froide (ºC)
     Tinitiale chaude (ºC)
     Calorimètre de masse + mélange d’eau froide et chaude (g)
     Masse d’eau chaude (g)
     Tfinal (ºC)
     ΔTchaud (K)
     ΔTfroid (K)
     Capacité thermique spécifique de l’eau (J/g·K)	4.184
     Capacité thermique du calorimètre (J/K)

     Cliquez ici pour télécharger le Tableau 1
   • Mesurez 50 ml d’eau froide du robinet et versez-la dans le calorimètre. Mesurez la masse combinée, enregistrez-la dans votre cahier de laboratoire et ramenez le calorimètre à votre poste de travail.
   • Calcule la masse de l’eau froide, ou m_froide, en soustrayant la masse du calorimètre vide de la masse du calorimètre contenant de l’eau froide.
   • Mesurez 50 ml d’eau déminéralisée et versez-le dans un bécher de 150 ml. Placez le bécher sur une plaque chauffante sous une pince de thermomètre et fixez un thermomètre numérique dans l’eau.
   • Placez le calorimètre au centre d’une petite plaque d’agitation sous une autre pince de thermomètre et couvrez-le avec un couvercle en carton qui a un trou au centre.
   • Allumez votre appareil d’enregistrement de données et configurez-le pour enregistrer la température au fil du temps. Réglez le taux d’enregistrement des données sur deux lectures par seconde et la durée d’enregistrement sur 600 s.
   • Insérez la sonde de température dans le trou du couvercle du calorimètre et fixez-la en place. La sonde doit toujours être fixée suffisamment haut pour que vous puissiez soulever le couvercle.
   • Démarrez le moteur d’agitation et augmentez la vitesse de rotation jusqu’à ce que la barre d’agitation s’agite régulièrement dans le calorimètre.
   • Une fois que la température affichée sur le périphérique d’acquisition de données se stabilise à plus ou moins 0,1 °C, enregistrez-la dans votre cahier de laboratoire en tant que T_cold-initial.
   • Ensuite, allumez la plaque chauffante et surveillez la température de l’eau avec le thermomètre numérique. Pendant que vous attendez, apportez des serviettes en papier à votre hotte.
   • Une fois que l’eau atteint 60 °C, éteignez la plaque chauffante. Retirez la sonde de température de l’eau froide, essuyez-la et tenez-la ou fixez-la dans l’eau chaude. Assurez-vous que la sonde ne touche pas le bas du bécher pendant que la lecture de la température se stabilise.
   • Enregistrez la température dans votre cahier de laboratoire en tant que T_hot-initial. Ensuite, retirez la sonde de l’eau chaude, essuyez-la et remettez-la dans le calorimètre.
   • Une fois la lecture de température stabilisée, lancez la collecte de données et attendez que l’appareil enregistre quelques secondes de données.
   • Ensuite, versez soigneusement l’eau chaude dans le calorimètre. Surveillez la lecture de la température pendant que l’eau chaude et l’eau froide se mélangent.
   • Une fois que la température atteint un maximum, c’est-à-dire qu’elle n’augmente plus, continuez à collecter des données pendant 5 à 6 minutes pour vous assurer d’enregistrer une température d’équilibre.
   • Ensuite, arrêtez la collecte de données et nommez les données 'calibration'. Retirez la sonde et le couvercle du calorimètre et mettez-les de côté.
   • Mesurez la masse du calorimètre rempli d’eau sur la balance à chargement par le haut.
   • Enregistre la masse dans ton cahier de laboratoire et ramène le calorimètre dans la hotte.
   • Calculez la masse de l’eau chaude, ou m_chaude, en soustrayant la masse du calorimètre contenant de l’eau froide de la masse du calorimètre contenant de l’eau chaude et froide mélangée.
   • Retirez la barre d’agitation magnétique du calorimètre et versez l’eau dans l’évier.
   • Séchez soigneusement le calorimètre et la barre d’agitation et remettez la barre d’agitation dans le calorimètre avant de continuer.
2. Mg_(s) + 2 HCl_(aq) → MgCl_2(aq) + H_2(g)
   Créez une nouvelle exécution de collecte de données avec les mêmes paramètres qu’auparavant.
   Étiquetez un bécher de 600 mL pour les déchets aqueux de magnésium, qui doivent être éliminés séparément à la fin du laboratoire.
   Obtenez le ruban de magnésium, qui est fourni en bandes prédécoupées de 0,45 à 0,55 g. Placez un morceau de ruban dans un bateau de pesée et ramenez-le à votre capuche.
   Ensuite, utilisez une serviette en papier et du papier émeri pour polir le ruban de magnésium, révélant ainsi un matériau brillant et argenté. Le polissage élimine la couche externe d’oxyde de magnésium qui se forme lorsque le magnésium métallique est exposé à l’air.
   Coupez le ruban de magnésium poli en morceaux de 0,5 à 1 cm de long dans le bateau de pesée.
   Utilisez une balance analytique et un deuxième bateau de pesée taré pour mesurer la masse précise de votre magnésium. Enregistrez la masse dans votre cahier de laboratoire. Ensuite, jetez le bateau de pesée supplémentaire et ramenez les morceaux de magnésium dans la hotte.

   Tableau 2 : Première réaction Mg + 2 HCl

   MasseMg (g)
   VolumeHCL ajouté (mL)
   Tinitial (°C)
   Tfinal (°C)
   ΔTMg + HCl (K)
   DensitéHCl (g/mL)	1.039
   MasseHCl (g)
   Solutionmassique (g)
   Capacité thermique spécifique de 2 M HCl (J/g·K)	3.98
   ΔUMg + 2H+ ≈ ΔHMg + 2H+ (kJ)
   Réactif limitant (mol)
   Rendement théorique (mol)
   ΔHMg + 2H+ (kJ/mol)

   Cliquez ici pour télécharger le Tableau 2
   Maintenant, apportez un bécher de 150 ml et un verre de montre à la hotte pour distribuer du HCl, et versez soigneusement environ 110 ml de HCl de 2,0 M dans le bécher. Couvrez le bécher et transportez-le jusqu’à votre capuche.
   Utilisez un cylindre gradué de 50 ml pour ajouter 100 ml de HCl de 2 M au calorimètre sec. Enregistrez le volume total de HCl ajouté et neutralisez toute goutte d’acide déversée.
   Ensuite, placez le calorimètre sur la plaque d’agitation, couvrez le calorimètre et fixez la sonde de température en place.
   Réglez le moteur d’agitation à une vitesse moyenne-élevée et commencez à enregistrer les données de température. Attendez que 30 s de données soient collectées afin d’obtenir une température initiale précise.
   Ensuite, soulevez le couvercle en carton et ajoutez les morceaux de magnésium au calorimètre en une seule fois.
   Ajustez la vitesse d’agitation de manière à ce que les morceaux remuent vivement. note: Il est important de bien mélanger le mélange pour dissoudre autant de magnésium que possible dans l'acide.
   Maintenant, fermez le calorimètre et surveillez la lecture des données à mesure que la température augmente. Une fois que la température atteint son maximum, laissez la collecte de données se poursuivre pendant cinq minutes supplémentaires. Ensuite, arrêtez la collecte de données et éteignez le moteur d’agitation.
   Pour éviter la contamination croisée lors de votre prochaine expérience, rincez abondamment la sonde de température avec de l’eau désionisée et récupérez le rinçage dans le bécher à déchets.
   Ensuite, retirez le calorimètre de la plaque d’agitation et récupérez la barre d’agitation avec une pince. Nettoyez le barreau d’agitation et la pince de la même manière.
   Versez le contenu du calorimètre dans les déchets et lavez soigneusement le calorimètre avec de l’eau déminéralisée. Séchez le calorimètre avec du papier absorbant.
   Changez l’ordre d’empilement des godets en polystyrène pour fournir une surface intérieure propre pour la prochaine réaction. Séchez la pince, la barre d’agitation et la sonde de température et remettez la barre d’agitation dans le calorimètre.
3. MgO_(s) + 2 HCl_(aq) → MgCl_2(aq) + H₂O_(l)Expand

   Voici la deuxième réaction que vous allez effectuer dans le calorimètre. Il s’agit d’une réaction acide-base dans laquelle l’oxyde de magnésium neutralise le HCl. Comme auparavant, le chlorure de magnésium restera en solution sous forme d’ions solvatés. L’oxyde de magnésium est un irritant respiratoire, alors soyez prudent lorsque vous le mesurez.

   • Créez une nouvelle exécution de collecte de données avec les mêmes paramètres qu’auparavant pour continuer le labo.
   • Mesurez environ 1 g d’oxyde de magnésium sur une balance analytique et notez la masse précise dans votre cahier de laboratoire.

     Tableau 3 : Deuxième réaction MgO + HCl

     Masse MgO (g)
     VolumeHCL ajouté (mL)
     Tinitiale (ºC)
     Tfinal (ºC)
     ΔTMgO + HCl (K)
     DensitéHCl (g/mL)	1.039
     MasseHCl (g)
     Solution massique (g)
     Capacité thermique spécifique de 2 M HCl (J/g·K)	3.98
     ΔUMgO + 2H+ ≈ ΔHMgO + 2H+ (kJ)
     Réactif limitant (mol)
     Rendement théorique (mol)
     ΔHMgO + 2H+ (kJ/mol)

     Cliquez ici pour télécharger le Tableau 3
   • Utilisez votre bécher de 150 ml pour transporter environ 110 ml de HCl de 2 M jusqu’à votre hotte. Versez 100 ml de HCl dans le calorimètre et notez le volume de HCl dans votre cahier de laboratoire.
   • Installez le calorimètre sur la plaque d’agitation de la même manière que lors de la dernière expérience. Commencez à agiter à grande vitesse et commencez à collecter des données de température. Attendez 30 s pour établir une lecture initiale précise de la température.
   • Ensuite, soulevez le couvercle du calorimètre et versez l’oxyde de magnésium dans le calorimètre en une seule fois. Assurez-vous que le mélange remue vigoureusement avant de remettre le couvercle. Surveillez la lecture de la température à mesure qu’elle augmente.
   • Une fois que la température atteint un maximum, collectez 5 min de données supplémentaires. Ensuite, arrêtez la collecte de données et éteignez le moteur d’agitation.
   • Enregistrez vos données et transférez le fichier sur un ordinateur ou une clé USB, afin de pouvoir le traiter plus tard.
   • Maintenant, nettoyez et séchez la sonde, le barreau d’agitation et la pince de la même manière qu’auparavant. Versez le mélange réactionnel dans le bécher à déchets et rincez l’intérieur du calorimètre avant de jeter les gobelets.
   • Neutralisez les déchets de magnésium acides avec du bicarbonate de soude, confirmez que le pH est acceptable avec du papier pH et versez-le dans un récipient destiné aux déchets de magnésium aqueux.
   • Rincez soigneusement le bécher avec de l’eau déminéralisée et versez le rinçage dans les déchets. Fermez le conteneur à déchets lorsque vous avez terminé.
   • Ensuite, rangez votre équipement de laboratoire et lavez votre verrerie selon les procédures standard de votre laboratoire.
   • Neutralisez tout déchet acide aqueux ne contenant pas de magnésium avec du bicarbonate de soude avant de le jeter dans les égouts.
   • Jetez les bateaux de pesée, le papier émeri et les gobelets appropriés pour votre laboratoire, nettoyez les matériaux renversés dans votre hotte et jetez les essuie-tout usagés et autres déchets.
4. ResultsExpand
   • Tout d’abord, tracez vos trois ensembles de données avec la température sur l’axe des y et le temps sur l’axe des x.
   • Trouvez les changements de température dont vous avez besoin pour vos calculs, en commençant par vos données d’étalonnage. Vous avez mesuré directement les températures chaudes et froides initiales, de sorte que vous n’avez qu’à trouver T_final, qui est la température stable maximale après le mélange de l’eau. Remplissez les valeurs initiales et finales et résolvez ΔT_chaud et ΔT_froid.
   • Ensuite, examinez les données de vos réactions. Comme pour les données d’étalonnage, Tfinal pour chaque réaction est la température maximale. T_initial est la température stable avant le début de chaque réaction. Remplissez ces valeurs et résolvez pour obtenir ΔT pour chaque réaction. Étant donné que ΔT est une différence de température et que les degrés Celsius et Kelvin ont le même intervalle, vous pouvez simplement changer les unités en Kelvin.
   • Maintenant, calculez la capacité thermique de votre calorimètre et les changements d’énergie interne des réactions. Pour ces calculs, supposons que la pression était constante, que le volume de la solution changeait à peine lorsqu’elle se réchauffait et qu’il n’y avait pas de transfert d’énergie entre la solution et son environnement. Selon ces hypothèses, la variation d’enthalpie est égale à la chaleur, qui à son tour est approximativement égale à la variation de l’énergie interne.
   • Tout d’abord, calcule la capacité thermique de ton calorimètre. Commencez par remplir les masses des portions d’eau chaude et froide de la première partie du laboratoire. Remplissez les valeurs ΔT_chaud et ΔT_froid que vous avez calculées à partir de vos données d’étalonnage. Utilisez la capacité thermique spécifique de l’eau à la pression ambiante et déterminez la capacité thermique de votre calorimètre.
   • Ensuite, calcule l’énergie interne de la première réaction. Déterminez la masse de votre solution en additionnant les masses de vos réactifs. ΔT provient de votre graphique. Vous connaissez la capacité thermique de votre calorimètre, et la capacité thermique spécifique de 2 M HCl est d’environ 3,98 J/K⋅g. Remplissez ces valeurs et résolvez pour trouver l’énergie interne, et donc l’enthalpie approximative de cette réaction. Utilisez le même processus pour estimer l’enthalpie de la deuxième réaction.
   • Pour chaque réaction, identifiez le réactif limitant et calculez le rendement théorique en moles. Sur cette base, mettez les enthalpies à l’échelle pour un rendement de 1 mole.
   • Maintenant, calculez l'enthalpie de formation de l'oxyde de magnésium en utilisant ces valeurs et l'enthalpie connue de formation de H₂O. Notez que votre deuxième réaction doit être inversée pour que ces trois réactions s'additionnent à la formation de l'oxyde de magnésium, vous allez donc utiliser l'entropie négative de la réaction directe.

     Tableau 4 : Calcul de l’enthalpie de formation du MgO

     ΔHMg + 2H+ (kJ/mol)
     -ΔHMgO + 2H+ (kJ/mol)
     ΔHfH2O (kJ/mol)
     ΔHMgO (valeur calculée ; kJ/mol)
     ΔHMgO (valeur littérature ; kJ/mol)
     Pourcentage d’erreur

     Cliquez ici pour télécharger le Tableau 4
   • Enfin, calculez le pourcentage d’erreur entre votre valeur calculée et la formation d’enthalpie connue de l’oxyde de magnésium.