Collège · 3ᵉ · Chimie
Chimie et énergie
Réactions exothermiques et endothermiques, piles et combustibles
À propos de cette page
Ce cours de chimie en troisième sur « Chimie et énergie » suit le programme officiel de chimie de troisième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Une transformation chimique échange de l'énergie, Réactions exothermiques et endothermiques, La combustion, une réaction exothermique, Quantifier l'énergie libérée : le pouvoir calorifique. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de troisième à réussir en chimie.
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Une transformation chimique échange de l'énergie
Au collège, on a appris qu'une transformation chimique conserve la masse et les atomes. En 3e, on ajoute une troisième idée : elle s'accompagne toujours d'un transfert d'énergie avec l'extérieur.
Définition. L'énergie chimique est l'énergie stockée dans la matière, dans les liaisons entre les atomes. Lors d'une réaction, les liaisons des réactifs se rompent et celles des produits se forment : la différence est libérée vers l'extérieur ou prélevée sur lui.
Cette énergie s'échange sous trois formes principales :
- thermique (chaleur) : le mélange chauffe ou refroidit ;
- lumineuse : flamme, étincelle, bâton lumineux ;
- électrique : dans une pile ou une batterie.
À garder en tête. L'énergie ne se crée pas et ne disparaît pas : elle se convertit. Une réaction qui « libère » de l'énergie la transfère au milieu extérieur ; une réaction qui en « absorbe » la prélève sur lui.
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Réactions exothermiques et endothermiques
Réaction exothermique. Elle libère de l'énergie thermique : la température du mélange augmente. Bilan : réactifs → produits + énergie.
Réaction endothermique. Elle absorbe de l'énergie thermique : la température du mélange diminue. Bilan : réactifs + énergie → produits.
| Type | Exemples | Signe observable |
|---|---|---|
| Exothermique | combustions ; chaux vive + eau ; fer + acide chlorhydrique | le bécher chauffe, parfois flamme ou lumière |
| Endothermique | dissolution du nitrate d'ammonium ; décomposition du calcaire dans un four à chaux ; photosynthèse | le bécher refroidit, ou il faut chauffer en continu |
Attention ! « Endothermique » ne veut pas dire « impossible » ni « lente ». La poche de froid instantanée refroidit en quelques secondes. Et une réaction exothermique peut avoir besoin d'une énergie d'activation pour démarrer (l'étincelle du briquet) : cela ne la rend pas endothermique.
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La combustion, une réaction exothermique
La combustion est la réaction exothermique la plus utilisée : chauffage, cuisson, moteurs, centrales. Elle nécessite les trois côtés du triangle du feu : un combustible, un comburant (le dioxygène) et une énergie d'activation.
Combustion complète d'un hydrocarbure. Les seuls produits sont le dioxyde de carbone et l'eau.
$$\mathrm{CH_4} + 2\,\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} + 2\,\mathrm{H_2O} \qquad \mathrm{C_3H_8} + 5\,\mathrm{O_2} \rightarrow 3\,\mathrm{CO_2} + 4\,\mathrm{H_2O}$$ $$2\,\mathrm{C_4H_{10}} + 13\,\mathrm{O_2} \rightarrow 8\,\mathrm{CO_2} + 10\,\mathrm{H_2O} \qquad \mathrm{C_2H_6O} + 3\,\mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{CO_2} + 3\,\mathrm{H_2O}$$
$$\mathrm{CH_4} + 2\,\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} + 2\,\mathrm{H_2O} \qquad \mathrm{C_3H_8} + 5\,\mathrm{O_2} \rightarrow 3\,\mathrm{CO_2} + 4\,\mathrm{H_2O}$$ $$2\,\mathrm{C_4H_{10}} + 13\,\mathrm{O_2} \rightarrow 8\,\mathrm{CO_2} + 10\,\mathrm{H_2O} \qquad \mathrm{C_2H_6O} + 3\,\mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{CO_2} + 3\,\mathrm{H_2O}$$
| Combustible | Formule | Usage courant |
|---|---|---|
| méthane | CH4 | gaz de ville (gaz naturel) |
| propane | C3H8 | citernes, barbecues |
| butane | C4H10 | bouteilles bleues, briquets |
| éthanol | C2H6O | biocarburant, réchauds |
Combustion incomplète = danger. Quand le dioxygène manque (appareil mal réglé, pièce non ventilée), il se forme de la suie (carbone) et du monoxyde de carbone CO, gaz incolore, inodore et mortel : il prend la place du dioxygène sur l'hémoglobine. Signes : flamme jaune au lieu de bleue, dépôts noirs. Règles : aérer, faire entretenir la chaudière, installer un détecteur de CO, ne jamais utiliser un barbecue ou un groupe électrogène à l'intérieur.
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Quantifier l'énergie libérée : le pouvoir calorifique
Pouvoir calorifique. C'est l'énergie libérée par la combustion complète de 1 kg de combustible. Il s'exprime en MJ/kg (mégajoules par kilogramme ; 1 MJ = 1 000 000 J). $$E = m \times PC \qquad E \text{ en J (ou MJ)},\ m \text{ en kg},\ PC \text{ en J/kg (ou MJ/kg)}$$
Exemple. Une cartouche de 450 g de butane (PC ≈ 46 MJ/kg) libère $E = 0{,}450 \times 46 \approx 20{,}7$ MJ. Pour le convertir en kilowattheures : 1 kWh = 3,6 MJ, donc $20{,}7 \div 3{,}6 \approx 5{,}8$ kWh.
Chauffer de l'eau. L'énergie nécessaire pour élever la température d'une masse d'eau est $E = m \times c \times \Delta T$, avec $c = 4\,180$ J/(kg·°C). Chauffer 1 kg d'eau de 20 °C à 100 °C demande $1 \times 4\,180 \times 80 = 334\,400$ J ≈ 0,33 MJ, soit environ 7 g de méthane… si tout est transféré à l'eau, ce qui n'est jamais le cas (rendement de la casserole, de la chaudière).
Unités. Avant tout calcul, mets la masse en kg et repère l'unité du pouvoir calorifique : 46 MJ/kg = 46 000 kJ/kg = 46 000 000 J/kg.
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La pile : de l'énergie chimique à l'énergie électrique
Définition. Une pile est un générateur qui convertit l'énergie chimique de ses réactifs en énergie électrique, grâce à une réaction d'oxydoréduction (un transfert d'électrons).
Une pile contient toujours :
- deux électrodes de nature différente (deux métaux, ou un métal et du carbone) ;
- un électrolyte : solution conductrice qui contient des ions (dans la pile citron, c'est le jus de citron) ;
- et, à l'extérieur, le circuit électrique dans lequel circulent les électrons.
| Pile ou accumulateur | Tension | Rechargeable ? |
|---|---|---|
| pile Daniell zinc-cuivre (1836) | 1,1 V | non |
| pile alcaline LR6 « AA » | 1,5 V | non |
| pile bouton au lithium CR2032 | 3 V | non |
| accumulateur lithium-ion (téléphone) | 3,7 V | oui |
Repères. Alessandro Volta invente la première pile en 1800 en empilant des disques de zinc et de cuivre séparés par du tissu imbibé d'eau salée : d'où le mot « pile ». La tension d'une pile dépend de la nature des deux électrodes, pas de leur taille ; en associant des piles en série, les tensions s'ajoutent (3 × 1,5 V = 4,5 V).
Pile usée. Une pile s'arrête quand l'un de ses réactifs est entièrement consommé. Une pile ordinaire ne se recharge pas : la réaction est irréversible. Un accumulateur (batterie) utilise une réaction réversible : en le branchant sur le secteur, on force la réaction inverse et l'énergie électrique est de nouveau stockée sous forme chimique. Les piles contiennent des métaux : elles se recyclent, jamais à la poubelle.
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Ce qui se passe dans la pile zinc-cuivre
Dans la pile Daniell, une lame de zinc plonge dans une solution de sulfate de zinc et une lame de cuivre dans une solution de sulfate de cuivre ; un pont salin relie les deux solutions.
À la lame de zinc (borne −). Le zinc se dissout : chaque atome de zinc perd deux électrons et devient un ion Zn2+. $$\mathrm{Zn} \rightarrow \mathrm{Zn^{2+}} + 2\,e^-$$ À la lame de cuivre (borne +). Les ions cuivre de la solution captent ces électrons et se déposent en cuivre métallique. $$\mathrm{Cu^{2+}} + 2\,e^- \rightarrow \mathrm{Cu}$$ Bilan : $\mathrm{Zn} + \mathrm{Cu^{2+}} \rightarrow \mathrm{Zn^{2+}} + \mathrm{Cu}$ — la lame de zinc maigrit, la lame de cuivre grossit, le bleu de la solution de cuivre pâlit.
| Où ? | Espèce | Ce qu'elle fait | Nom |
|---|---|---|---|
| borne − | zinc Zn | perd des électrons : il est oxydé | réducteur |
| borne + | ion Cu2+ | gagne des électrons : il est réduit | oxydant |
Deux sens à ne pas mélanger. Les électrons circulent dans le fil de la borne − vers la borne +. Le courant, par convention, va de la borne + vers la borne − à l'extérieur de la pile. Dans la solution, ce sont les ions qui se déplacent, jamais les électrons.
Le formalisme complet des couples oxydant/réducteur est étudié dans le chapitre sur les réactions d'oxydoréduction.
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Combustibles, CO₂ et alternatives
Brûler un combustible carboné libère du dioxyde de carbone, principal gaz à effet de serre d'origine humaine. La proportion est fixée par l'équation de la réaction :
| Combustible | CO2 émis par kg brûlé | Énergie par kg |
|---|---|---|
| charbon (carbone) | ≈ 3,7 kg | ≈ 30 MJ |
| essence | ≈ 3,1 kg | ≈ 44 MJ |
| méthane | ≈ 2,75 kg | ≈ 50 MJ |
| dihydrogène | 0 kg | ≈ 120 MJ |
Lire le tableau. Pour la même énergie, le méthane émet presque deux fois moins de CO2 que le charbon : $3{,}7/30 \approx 0{,}12$ kg/MJ contre $2{,}75/50 \approx 0{,}055$ kg/MJ. Mais il en émet quand même.
- Combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) : formés en millions d'années, non renouvelables, libèrent en quelques secondes du carbone stocké depuis très longtemps.
- Biocarburants (éthanol de betterave ou de canne, biodiesel de colza) : le CO2 émis a été capté par la plante pendant sa croissance. Bilan « presque neutre » seulement, car cultiver, transporter et transformer la plante consomme aussi de l'énergie.
- Dihydrogène H2 : sa combustion ou son usage en pile à combustible ne rejette que de l'eau : $2\,\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{H_2O}$. Mais le dihydrogène n'existe pas dans la nature : il faut le fabriquer (électrolyse de l'eau, ou à partir de méthane). C'est un vecteur d'énergie, pas une source. Il n'est propre que si l'électricité qui le produit l'est.
- Accumulateurs : stockent l'électricité sous forme chimique ; leur fabrication demande du lithium, du cobalt, du nickel — d'où l'enjeu du recyclage.
En bref
- Une réaction exothermique libère de l'énergie (température ↑) ; une réaction endothermique en absorbe (température ↓).
- Combustion complète d'un hydrocarbure → CO2 + H2O ; incomplète → suie et monoxyde de carbone CO, invisible et mortel.
- Énergie libérée : $E = m \times PC$ (m en kg, PC en MJ/kg) ; 1 kWh = 3,6 MJ ; chauffer de l'eau : $E = m \times c \times \Delta T$.
- Une pile convertit l'énergie chimique en énergie électrique par une oxydoréduction ; elle s'arrête quand un réactif est consommé. Un accumulateur se recharge (réaction réversible).
- Pile zinc-cuivre : Zn → Zn2+ + 2 e− à la borne − ; Cu2+ + 2 e− → Cu à la borne + ; tension 1,1 V.
- Brûler 1 kg de méthane émet 2,75 kg de CO2 ; le dihydrogène n'en émet pas mais doit être fabriqué : c'est un vecteur d'énergie.
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