Énergie des réactions chimiques

La combustion d'une mole de méthane, soit 16 g, libère 890.8 kJ de chaleur : de quoi chauffer environ 2.7 litres d'eau de 20 °C à 100 °C.

Certaines réactions chauffent, comme la flamme du gaz. D'autres absorbent la chaleur de leur environnement. La différence vient des liaisons. Rompre une liaison chimique demande toujours de l'énergie ; en former une en libère toujours. Pour séparer les atomes du dihydrogène, par exemple, il faut 436 kJ par mole. Pour savoir si une réaction libère ou absorbe globalement de la chaleur, on compare l'énergie dépensée pour rompre les anciennes liaisons à celle libérée par la formation des nouvelles.

Exothermique et endothermique

À pression constante, les chimistes mesurent la chaleur d'une réaction par la variation d'enthalpie, ΔH. Si les produits ont une enthalpie inférieure à celle des réactifs, la différence est libérée sous forme de chaleur : ΔH est négatif et la réaction est exothermique. Si leur enthalpie est supérieure, la réaction doit absorber de la chaleur dans son environnement : ΔH est positif et la réaction est endothermique. Inverser une réaction inverse le signe de ΔH : former de l'eau à partir de dihydrogène et de dioxygène libère 571.6 kJ pour deux moles d'eau ; décomposer deux moles d'eau liquide en ces éléments demande donc 571.6 kJ.

Les combustibles ont une enthalpie de combustion fortement négative. Parmi les valeurs mesurées : −890.8 kJ par mole pour le méthane, −285.8 kJ pour le dihydrogène, −1366.8 kJ pour l'éthanol et −726.1 kJ pour le méthanol. Par gramme, le classement change. Le méthane donne environ 55.5 kJ par gramme, l'éthanol 29.7 kJ et le dihydrogène, très léger, 141.8 kJ. OpenStax estime que la combustion d'un litre d'isooctane, composant courant de l'essence, libère 33 100 kJ. Toutes les réactions utiles ne sont pas exothermiques. En altitude, l'ozone se forme à partir de dioxygène par un processus endothermique alimenté par les ultraviolets. Le diazote et le dioxygène absorbent 180.5 kJ pour former deux moles de monoxyde d'azote : c'est pourquoi cette réaction se produit surtout dans les cylindres très chauds des moteurs.

Pourquoi un combustible a besoin d'une étincelle

Si brûler du méthane libère autant d'énergie, pourquoi le gaz d'une conduite de cuisine ne s'enflamme-t-il pas tout seul ? Parce que la réaction doit d'abord rompre des liaisons avant d'en former de nouvelles. Les molécules doivent entrer en collision avec une énergie minimale, l'énergie d'activation Eₐ, pour atteindre l'arrangement instable au sommet du profil, appelé état de transition. À température ambiante, très peu de collisions ont assez d'énergie. Une étincelle ou une allumette fournit l'énergie des premières réactions, puis la chaleur libérée entretient les suivantes.

Fais glisser le point sur la courbe du laboratoire. Dans la montée, les liaisons s'étirent et l'énergie augmente. Au sommet, les anciennes liaisons sont à moitié rompues et les nouvelles à moitié formées. Dans la descente, les nouvelles liaisons achèvent de se former et l'énergie se libère. La hauteur du sommet détermine la vitesse de la réaction, sujet de la leçon suivante ; l'écart entre les deux extrémités détermine la chaleur libérée. Le catalyseur, activé par le bouton, propose un chemin plus facile dont le sommet est plus bas. Les deux extrémités restent toutefois à leur place : ΔH ne change pas.