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Collège · 3ᵉ · Chimie

Chimie et énergie

Réactions exothermiques et endothermiques, piles et combustibles

Reconnaître une réaction exothermique ou endothermique, exploiter une combustion, calculer une énergie libérée, expliquer comment une pile produit du courant.

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Définitions

  • Énergie chimique : stockée dans les liaisons entre atomes, libérée ou absorbée quand elles se réorganisent.
  • Exothermique : libère de l'énergie, la température monte (combustions, chaux vive + eau).
  • Endothermique : absorbe de l'énergie, la température baisse (poche de froid au nitrate d'ammonium, photosynthèse).
  • Énergie d'activation : l'étincelle qui démarre ; ne rend pas la réaction endothermique.
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Combustions

  • Triangle du feu : combustible + comburant (O2) + énergie d'activation.
  • Complète (flamme bleue) : CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O ; C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O.
  • Incomplète (flamme jaune, suie) : monoxyde de carbone CO, incolore, inodore, mortel → aérer, détecteur, rien en lieu clos.
  • CO2 émis par kg brûlé : méthane 2,75 kg ; butane, propane 3 kg ; charbon 3,7 kg.
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Formules et unités

  • Pouvoir calorifique PC (MJ/kg) : bois 16 · charbon 30 · essence 44 · méthane 50 · dihydrogène 120.
  • $E = m \times PC$, m en kg.
  • Chauffer l'eau : $E = m \times c \times$ ΔT, $c = 4\,180$ J/(kg·°C).
  • Rendement = énergie utile ÷ énergie libérée.
  • 1 MJ = 106 J ; 1 kWh = 3,6 MJ.
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Méthode : calcul d'énergie

  1. Masse en kg (250 g = 0,250 kg).
  2. $E = m \times PC$.
  3. Rendement : énergie à libérer = énergie utile ÷ rendement.
  4. Convertir à la fin (÷ 3,6 : MJ → kWh).
  5. Comparer deux combustibles à énergie égale, pas à masse égale.
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La pile zinc-cuivre

  • Borne − : Zn → Zn2+ + 2 e− (oxydation, la lame maigrit) ; zinc = réducteur.
  • Borne + : Cu2+ + 2 e− → Cu (réduction, dépôt) ; Cu2+ = oxydant.
  • Bilan : Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu ; 1,1 V.
  • Électrons : de − vers + dans le fil ; courant : de + vers − à l'extérieur ; ions dans l'électrolyte.
  • Tension fixée par la nature des électrodes ; en série, elles s'ajoutent.
  • Usée = réactif épuisé. Accumulateur = réaction réversible.
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Pièges à éviter

  • Combustible (ce qui brûle) ≠ comburant (le dioxygène).
  • Masse en g au lieu de kg avec le PC.
  • Rendement : on divise l'énergie utile, on ne multiplie pas.
  • Des électrons dans la solution : non, des ions.
  • Hydrogène « propre » : c'est un vecteur, son bilan CO2 est celui de l'électricité qui l'a produit.
L'essentiel
  • Exothermique : libère de l'énergie, T monte ; endothermique : absorbe, T baisse.
  • Combustion complète → CO₂ + H₂O ; incomplète → CO toxique et suie.
  • E = m × PC (m en kg) ; 1 kWh = 3,6 MJ.
  • Une pile convertit l'énergie chimique en énergie électrique et s'arrête quand un réactif est épuisé.
  • Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻ à la borne −, Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu à la borne +.
  • Le dihydrogène est un vecteur d'énergie : il faut le fabriquer.
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