Physique · Thermodynamique

Thermodynamique chimique

Combien de chaleur une réaction libère-t-elle ? Jusqu'où ira-t-elle ? Comment la température change-t-elle la réponse ? Ces trois questions tiennent en trois grandeurs : ΔH, ΔG° et K.

Une réaction chimique casse des liaisons et en forme d'autres. Son enthalpie de réaction ΔrH est la chaleur échangée à pression constante : négative si la réaction libère de la chaleur (exothermique), positive si elle en absorbe (endothermique). Mais le sens et l'étendue de la réaction dépendent de ΔrG°, qui tient aussi compte de l'entropie.

ΔrG° = ΔrH° − T·ΔrS° = −R T ln K
Combustion d'une mole de méthane en phase gazeuse, en imaginant le passage par les atomes séparés : on paie pour casser les liaisons, on récupère davantage en formant les nouvelles. La différence est ΔrH.

Le symbole ° désigne l'état standard : chaque gaz pur à la pression de 1 bar, à la température considérée. Toutes les valeurs d'enthalpie sont données par mole d'avancement, pour la réaction telle qu'elle est écrite.

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Comment mesurer l'énergie d'une réaction ?

On fait brûler l'échantillon dans un récipient fermé et on suit le thermomètre. Ce qu'on obtient n'est pas tout à fait ΔrH : à volume constant, la chaleur mesurée est ΔrU. Il faut y ajouter le travail qui aurait servi à repousser l'atmosphère : ΔrH = ΔrU + Δngaz·R·T.

L'échantillon brûle dans une bombe en acier remplie d'oxygène, plongée dans l'eau. Toute la chaleur passe dans l'ensemble eau et bombe.
Température de l'eau au cours du temps. Pointillés verts : la température finale attendue.
Réaction
Thermomètre / capacité totale
ΔrU déduit du thermomètre
Δngaz / correction Δn·R·T
ΔrH déduit
Par Σν·ΔfH° / valeur usuelle de combustion
Par kilogramme de combustible
Un écart petit, mais réel. La combustion du dihydrogène consomme du gaz, Δn < 0 : ΔrH est plus négatif que ΔrU, car l'atmosphère travaille pour nous. Le propane aussi. L'écart reste faible, de 0 à une dizaine de kJ/mol : la mesure en bombe donne donc presque directement ΔrH. Par kilogramme, le dihydrogène l'emporte de loin. Dans cette expérience simulée, aucune perte n'est modélisée.

L'enthalpie moyenne de liaison est le coût de la rupture d'une liaison, en phase gazeuse, en moyenne sur beaucoup de molécules. Elle donne une estimation immédiate : ΔrH ≈ Σ(liaisons rompues) − Σ(liaisons formées).

Rouge : casser les liaisons. Bleu : former les nouvelles. Trait vert : le niveau réel des produits, d'après les enthalpies de formation.
Liaisons rompues
Liaisons formées
Estimation par les liaisons
Par les enthalpies de formation
Écart
Une erreur qui renseigne. L'estimation est souvent bonne à quelques pour cent. Sauf pour le benzène : traité comme trois doubles liaisons ordinaires, sa réaction devrait libérer bien plus que ce qu'on mesure. L'écart, de plusieurs dizaines de pour cent, mesure la stabilité supplémentaire due à la délocalisation de ses électrons.
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Peut-on connaître une enthalpie sans faire la réaction ?

Oui, car H est une fonction d'état : sa variation ne dépend que du départ et de l'arrivée. C'est la loi de Hess (1840). On peut donc additionner et soustraire les équations comme en algèbre, et leurs enthalpies avec. Conséquence directe : ΔrH° = Σ νi·ΔfH°i, avec les enthalpies de formation à partir des corps simples.

Diagramme d'enthalpie. Le point rouge suit le chemin direct, le point bleu passe par l'intermédiaire. Ils partent et arrivent aux mêmes niveaux.
Étape 1 / étape 2
Somme des étapes
Chemin direct
Écart

On veut l'enthalpie d'une réaction qu'on ne sait pas mesurer directement. On dispose de combustions faciles à mesurer. Réglez les coefficients : une équation multipliée par −1 est inversée, et son enthalpie change de signe. Il faut que tout ce qui est en trop s'annule.

Pour chaque espèce, écart à la réaction cherchée. Le puzzle est résolu quand toutes les barres sont nulles.
Équation obtenue
Somme des enthalpies
État du puzzle
Valeur tabulée de la réaction cherchée
Quelques kilojoules d'écart. On soustrait de grands nombres : l'incertitude de chaque combustion se retrouve dans le résultat, et pèse lourd sur une enthalpie cherchée qui est petite. Sur le méthane, une erreur de 1 kJ sur 890 kJ devient plus de 1 % de 75 kJ. C'est le prix du détour, et c'est pourquoi les tables modernes ajustent toutes les mesures ensemble.

L'énergie de cohésion d'un cristal ionique, Na⁺ + Cl⁻ → NaCl, ne se mesure pas directement : aucun gaz d'ions ne se condense proprement. Le cycle de Born-Haber (1919) la déduit de grandeurs mesurables. Une seule loi : le tour complet a un bilan nul.

Niveaux d'enthalpie, en kJ/mol. Flèches rouges : on fournit de l'énergie. Flèches bleues : il en est libéré. La flèche verte finale, qui referme le cycle, est l'inconnue.
Énergie réticulaire par Born-Haber
Modèle électrostatique de Born-Landé
Écart entre les deux
Contrôle : somme du tour complet
Une physique de quelques pour cent. Born-Landé ne compte que des charges ponctuelles sur un réseau et une répulsion à courte distance. Qu'il tombe si près d'une valeur obtenue par des mesures sans aucun rapport montre que ces cristaux sont bien ioniques. La formation du sel est très favorable, alors que la première étape coûte cher : c'est la cohésion du cristal qui paie tout.
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Quel lien entre ΔrG° et la constante d'équilibre ?

En cours de réaction, chaque espèce a un potentiel chimique μi = μ°i + R·T·ln(ai), où ai est son activité (pour un gaz, sa pression en bar). Il en résulte ΔrG = ΔrG° + R·T·ln Q. La réaction avance tant que ΔrG < 0. À l'équilibre, ΔrG = 0, Q = K, et donc ΔrG° = −R·T·ln K. Une énergie donne un nombre pur.

log₁₀ K selon ΔrG°, droite de pente −1/(R·T·ln 10). Le point rouge est votre réglage.
Réaction A ⇌ B. Chaque molécule bleue ou orange change d'état au hasard, avec une probabilité qui ne dépend que de ΔrG° et T. La barre montre la part de B.
K = exp(−ΔrG°/RT)
K mesurée sur les molécules
Part de B prévue, K/(1 + K)
ΔrG° pour multiplier K par 10
La règle des 5,7 kJ. À 25 °C, chaque 5,7 kJ/mol de ΔrG° multiplie K par 10. D'où une réponse presque binaire : 40 kJ/mol suffisent pour que K vaille environ 10⁷, ou 10⁻⁷. Une réaction « totale » n'est qu'une réaction au K énorme. Il faut retenir aussi que K ne dit rien de la vitesse : un mélange peut rester indéfiniment hors d'équilibre.
G/RT du mélange selon l'avancement ξ, à une constante près. Le point noir suit le mélange, le trait vert marque l'équilibre. La pente en un point est ΔrG/RT.
Quantités de matière actuelles. Les échanges se font selon les coefficients de l'équation.
ΔrG° / K
ξ actuel / Q
ΔrG = ΔrG° + R·T·ln Q
R·T·dG/dξ, pente numérique de la courbe
ξ d'équilibre : minimum de G / résolution de Q = K
Ce que la pression déplace, ce que la constante ne fait pas. K ne dépend que de T. Changer la pression modifie Q, et si la réaction change le nombre de moles de gaz, l'équilibre se déplace pour revenir à Q = K : c'est la loi de modération de Le Chatelier, sans aucun autre principe. Pour le gaz à l'eau, le nombre de moles ne change pas : la pression n'a aucun effet. Mélanges traités en gaz parfaits.

Dans une pile, le travail électrique réversible est −ΔrG, avec ΔrG = −n·𝓕·E. Un simple voltmètre mesure donc ΔrG° et K, même quand K est immense. C'est l'équation de Nernst : E = E° − (R·T / n·𝓕)·ln Q. La tension s'annule quand la pile est à plat, c'est-à-dire à l'équilibre, Q = K.

Tension selon log₁₀ Q. Elle s'annule à log₁₀ Q = log₁₀ K.
Plus la tension est forte, plus le débit d'électrons dessiné est grand. À Q = K, plus rien ne circule.
E° / n
ΔrG° = −n·𝓕·E°
K = exp(n·𝓕·E°/RT)
Tension actuelle E
ΔrG actuel
Mesurer l'immesurable. À K ≈ 10³⁷ pour la pile Daniell, il resterait en moyenne moins d'un ion Cu²⁺ dans un volume de solution astronomique : aucune analyse chimique ne pourrait le voir, alors qu'un voltmètre le lit sans effort. Seule réserve : E° est supposé constant quand T varie, et les activités sont celles d'une solution idéale.
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Comment la température change-t-elle un équilibre ?

Dérivons ln K = −ΔrG°/RT par rapport à T : il vient la relation de van 't Hoff, d(ln K)/dT = ΔrH°/(R·T²). Chauffer favorise donc toujours le sens endothermique. Tracé en 1/T, ln K donne presque une droite, de pente −ΔrH°/R.

Bleu : ln K calculé en tenant compte des capacités thermiques. Pointillés rouges : la droite de van 't Hoff, avec ΔrH° fixe, tangente à votre température de départ. Trait horizontal : K = 1.
K à cette température
K par la droite, ΔrH° fixe
Sens favorisé si l'on chauffe
ΔrH° par −R × pente / par les tables
Température où K = 1
Une droite qui ment peu. ΔrH° varie peu avec T, car les capacités thermiques des réactifs et des produits se compensent en grande partie. C'est ce qui rend utile la formule ln(K₂/K₁) = −(ΔrH°/R)·(1/T₂ − 1/T₁). La mesure de K à plusieurs températures donne donc ΔrH° sans calorimètre. Mais éloignez la référence sur un grand intervalle : l'écart devient vite un facteur notable, car il s'agit d'une exponentielle.
Rouge : ΔrH°. Orange : T·ΔrS°. Bleu : ΔrG°, leur différence. Le point vert marque ΔrG° = 0.
ΔrH°(T)
Par Kirchhoff : ΔrH°(298 K) + ∫ΔrCpdT
ΔrS°(T) / T·ΔrS°
ΔrCp
ΔrG°(T)
Qui gagne ? Si ΔrH° et ΔrS° ont le même signe, une température d'inversion les sépare : l'énergie domine à froid, l'entropie à chaud. Pour la synthèse de l'ammoniac, qui libère de la chaleur mais réduit le nombre de molécules, le passage a lieu vers 450 K : au-dessus, l'équilibre recule. Le vaporeformage du méthane fait l'inverse, et ne devient favorable qu'à chaud.

Pourquoi le charbon réduit-il le fer ? Ellingham (1944) trace ΔrG° d'oxydation par mole de O₂ selon T. L'élément de la droite la plus basse prend l'oxygène à ceux du dessus. Choisissez un oxyde à réduire et un réducteur.

ΔrG° par mole de O₂, avec ΔrH° et ΔrS° à 298 K supposés constants et sans tenir compte des fusions. La droite 2 C + O₂ → 2 CO est la seule qui descend : la réaction forme du gaz. Rouge : oxyde choisi. Bleu : réducteur.
Oxyde / réducteur : ΔrG°
Réduction de l'oxyde : ΔrG° / K
Possible à partir de
Pression de O₂ d'équilibre de l'oxyde
Toute une métallurgie sur un dessin. Le carbone devient de plus en plus réducteur quand il chauffe, grâce à l'entropie de CO gazeux : c'est le haut fourneau, qui réduit le fer vers 1 000 K dans ce modèle. L'aluminium et le magnésium sont trop bas pour le carbone à des températures raisonnables : d'où l'électrolyse. Et l'or, l'argent et le cuivre sont tout en haut : on les trouve souvent à l'état natif. La vitesse des réactions, le soufre et les vraies phases compliquent cette histoire.
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Que peut-on obtenir d'une réaction, et à quel prix ?

Deux cas où tout se joue en même temps. L'ammoniac, dont l'équilibre veut du froid quand sa vitesse veut du chaud. La flamme, qui ne peut pas être aussi chaude que son énergie le permettrait, car à haute température l'eau et le CO₂ se défont : l'équilibre lui-même limite le feu.

Part d'ammoniac à l'équilibre, N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃, en gaz parfaits, selon T et P. Plus c'est foncé, plus il y en a. Faites glisser le point.
En sortie du réacteur, à votre pression. Pointillés verts : limite d'équilibre. Bleu : ce qu'on obtient vraiment en un temps fixé. Rouge : votre température. Le sommet est le compromis.
Le gaz traverse le réacteur : points bleus, N₂ ; gris, H₂ ; orange, NH₃. La proportion suit le calcul, à chaque position.
T / P
NH₃ à l'équilibre : minimum de G / ξ de Q = K
NH₃ en sortie du réacteur
Meilleure température / NH₃ obtenu
Chaleur libérée par mole de NH₃
Un catalyseur ne déplace rien. Il abaisse la barrière, dans les deux sens : la limite verte ne bouge pas, mais on s'en approche à plus basse température. Sans lui, la réaction est inobservable, là où l'équilibre serait pourtant très favorable. Monter la pression augmente la limite : d'où 150 à 300 bar dans les usines, vers 700 K. La loi de vitesse est ici un modèle d'illustration, mis à zéro à l'équilibre, et non la cinétique d'un vrai catalyseur. Les gaz réels, à ces pressions, déplacent la limite de quelques points : ce modèle les néglige.

Dans une flamme adiabatique, à pression constante, H ne change pas : la chaleur de réaction reste dans les gaz. Si la combustion était complète, ils monteraient très haut. Mais la composition d'équilibre dépend de T : H₂O et CO₂ se dissocient en H₂, CO, OH, H, O, en absorbant de l'énergie. Le calcul cherche la température et la composition qui satisfont à la fois H constant et G minimal, parmi dix espèces.

À gauche, la flamme. À droite, ses gaz à l'équilibre, en parts de moles.
Parts molaires (échelle logarithmique) des produits, en fonction de T, pour ce mélange. Trait rouge : température de flamme.
Température de flamme avec équilibre
Sans aucune dissociation
Énergie restant sous forme chimique
Contrôle : K de H₂ + ½ O₂ ⇌ H₂O, par la composition / par ΔG°
Contrôles : bilan d'éléments / de H
Le mur de l'équilibre. Avec de l'oxygène pur, la combustion complète prévoirait presque 5 000 K, mais la flamme de dihydrogène plafonne vers 3 080 K : près de la moitié de l'énergie reste sous forme de molécules non recombinées. Avec l'air, l'azote absorbe tant de chaleur que T redescend vers 2 390 K, et la dissociation devient modeste. Monter la pression gêne la dissociation (elle augmente le nombre de moles), et la flamme chauffe davantage. Le maximum de température se situe un peu du côté riche, là où les gaz chauds ont la capacité thermique la plus faible.

Quelques repères

L'énergie

ΔrH° = ΣνiΔfH°i. La loi de Hess vient du fait que H est une fonction d'état : les équations s'additionnent, et les enthalpies avec.

Le sens

ΔrG = ΔrG° + R·T·ln Q. La réaction avance vers Q = K, avec K = exp(−ΔrG°/RT). Chaque 5,7 kJ/mol multiplie K par 10 à 25 °C.

La température

d(ln K)/dT = ΔrH°/(R·T²) : chauffer favorise le sens endothermique. Une réaction est bloquée soit par la thermodynamique, soit par la vitesse : un catalyseur n'aide que pour la seconde.

Pour aller plus loin

Démonstration de van 't Hoff. La relation de Gibbs-Helmholtz, d(G/T)/dT = −H/T², s'applique à G° et H°. Comme ln K = −ΔrG°/(R·T), elle donne directement d(ln K)/dT = ΔrH°/(R·T²).

La référence de ΔrG°. K dépend de la façon dont on écrit la réaction : doubler les coefficients double ΔrG° et élève K au carré. Elle dépend aussi de la pression de référence choisie, 1 bar ici.

Les données. Espèces gazeuses : ΔfH°, S° et coefficients de Shomate des tables NIST-JANAF. J'ai vérifié les coefficients sur S°(298 K), sur leur continuité entre intervalles, et sur Cp avec CoolProp 8.0.0 pour neuf espèces. Combustions, enthalpies de liaison, cycles de Born-Haber, potentiels de pile et diagramme d'Ellingham utilisent des valeurs usuelles de manuels, arrondies : elles servent d'exemples, pas de références.

Le calcul de flamme. Minimisation de G par la méthode de Gordon et McBride, à éléments conservés, parmi H₂, O₂, H₂O, OH, H, O, CO, CO₂, CH₄ et N₂, en gaz parfait. Comparé à Cantera avec les mêmes espèces (avec ses propres tables), l'écart reste sous 4 K. Les oxydes d'azote, absents ici, abaissent la température de flamme à l'air d'environ 5 à 7 K. Une vraie flamme, avec des pertes par rayonnement et un mélange imparfait, reste en dessous.

Dans la même série : Potentiels thermodynamiques et équilibres pour μ et Maxwell, L'enthalpie et la calorimétrie, Le second principe et l'entropie.