Depuis le 1er avril 2022, ce forum devient accessible uniquement en lecture. (Voir ce message)
Il n'est plus possible de s'y inscrire, de s'y connecter, de poster de nouveaux messages ou d'accéder à la messagerie privée. Vous pouvez demander à supprimer votre compte ici.

lien intuitif entre chaleur et liaison chimique

Pour tout ce qui traite des expériences de chimie.
Cryptocatron11
Messages : 15
Inscription : 24/10/2011, 19:03
Niveau d'étude / Domaine : L2 Physique/Chimie

lien intuitif entre chaleur et liaison chimique

Message par Cryptocatron11 »

Bonjour tout le monde,

J'ai une petite incompréhension thermodynamique.


Je récapitule ce que je sais:
la variation d’énergie interne d'un système est égale à la chaleur et au travail. Soit
$ \delta U= - PdV + C_pdT $
Bon j'ai bien compris que l'energie interne c'est la somme des interactions potentielles entre particules et de leur énergie cinétique (du moins j’admets bêtement ce qui est écrit dans les bouquins). Grossièrement la température mesure la vitesse d'agitation des particules.

Lorsqu'on fourni de la chaleur à notre système, on lui apporte de l'energie bon OK. Au niveau microscopique, ça correspond à une forte agitation des particules de gaz au sein du sytème. Mais le fait d'apporter de la chaleur à mon système c'est bien joli mais comment expliquer que ça permet de briser des liaisons. Ce que je trouve dommage dans les bouquin c'est qu'ils n'accentuent pas assez sur ce mécanisme. J'ai donc du mal à faire le lien avec le fait que les molécules brisent leur liaison grâce à l'apport de chaleur.

Je m'explique :
Pour briser une liaison, on a besoin d’énergie sous forme de chaleur par exemple. Intuitivement, je pense que c'est une particule qui tape contre deux atomes liés et ainsi le choc entre la particule et un des deux atomes brisent la liaison entre les deux atomes .La particule a en fait conféré son energie cinétique à l'atome ce qui lui permet de s'éloigner de son compagnon (l'autre atome avec qui il formait la liaison). Puis rebelotte, l'atome libéré gagne de l'energie potentielle puis frappe une autre particule , il perd son energie cinétique doucement jusqu'à ce quelle soit nulle. Ensuite il perd son énergie potentielle qui se transforme en énergie cinétique pour créer une liaison avec un autre atome. Une fois que la liaison est faite alors l’énergie cinétique est nulle et elle s'est transformée sous forme de chaleur. Mais pourquoi quand on créé des liaisons chimiques ça créé de la chaleur (je parle d'un point de vue intuitif) car la chaleur correspond à une agitation thermique. Comment les deux atomes qui se sont liés ont transformé leur energie cinétique respective en chaleur ?

Grand merci d'avance pour vos explications car j'ai trouvé la réponse nulle part . (Si possible j'aimerai connaitre le mécanisme complet donc si quelqu'un aurait l'aimable gentillesse de développer ça serait super )
Geoffrey
Messages : 47
Inscription : 01/04/2011, 15:04
Niveau d'étude / Domaine : ingénieur
Localisation : Toulouse

Re: lien intuitif entre chaleur et liaison chimique

Message par Geoffrey »

Pour ce que j'ai pu étudier la thermodynamique et la thermochimie je peux essayer de te donner des pistes de compréhension.

Tout d'abord il faut définir rigoureusement quelques termes dont l'usage courant a tendance a perdre le sens:
la température, notée T, est une mesure macroscopique du niveau d'énergie cinétique microscopique d'un système, elle se mesure en Kelvin.
la chaleur, notée Q, est un flux d'énergie cinétique d'agitation moléculaire et qui quantifie le transfert d'agitation thermique, elle se mesure en Joule.

Ensuite il faut savoir sur quoi se base la modélisation des gaz en thermodynamique physique, dans le cas du modèle du gaz parfait on néglige toutes les interactions électrostatiques entre les molécules du gaz on ne considère que les éventuels chocs qui peuvent se produire. Les molécules sont modélisées comme étant ponctuelles et occupent donc un volume nul (un point n'a pas de dimension spatiale), dans le cadre du modèle du gaz parfait l'énergie interne est la somme des énergies cinétique de translation, de rotation et de vibration des molécules ponctuelles. Ce modèle est bien vérifié lorsqu'on se situe suffisamment de la ligne de changement d'état du gaz.

Le modèle de Van Der Waals corrige celui des gaz parfait en apportant 2 notions supplémentaires, les molécules ont un volume propre et elles interagissent électrostatiquement entre elles. Dans le cadre de ce modèle l'énergie interne correspond à la somme des l'énergie cinétique de translation, de rotation et de vibration des molécules et des énergies potentielles des forces de cohésion. Mais là il faut bien voir ce que l'on entend par énergie potentielle des forces de cohésion, il ne s'agit pas de l'énergie des niveaux électroniques des molécules (énergie chimique), mais seulement des énergies d'interactions électrostatiques (origine physique). Pour ce que j'ai appris sur les interactions de faible énergies dites "forces de Van Der Waals", elles sont de 3 types:
interaction de Keesom entre 2 dipôles permanents.
interaction de Debeye entre un dipôle permanent et un dipôle induit.
interaction de London (dire force de dispersion) entre 2 dipôles induits.

J'ignore si on prend en compte les interactions de types liaisons hydrogènes qui doivent bien exister un peu même à l'état gazeux, dans le fond sans doute que oui car c'est un type d'interaction dipôle-dipôle. Mais comme le paramètre "a" de l'équation de Van Der Waals est estimé expérimentalement il prend en compte toutes les interactions intermoléculaires existantes.

En thermodynamique physique lorsqu'on ne considère que les transformation physiques, seules 2 variables suffisent à déterminer une quelconque fonction d'état du système et ainsi définir complétement son état d'équilibre. Mais ça n'est plus vrai lorsqu'on veut considérer les réactions chimiques se déroulant dans le système, a vrai dire ça n'est pas vrai non plus pour les changements d'état, du point de vue microscopique c'est les transformations qui touchent au niveau d'énergie des orbitales atomiques ou moléculaires et des électrons qui les peuples.
Je comprends qu'en raisonnant uniquement sur un échange d'énergie potentielle d'interaction intermoléculaire et d'énergie cinétique tu ne puisses pas interpréter un gain d'énergie cinétique (augmentation de température) lors des réactions chimiques.

Tu dois en fait te diriger vers un cours de thermodynamique chimique (thermochimie) si tu souhaites comprendre le rôle des réactions chimiques, un cours de thermodynamique physique ne s'y consacre pas. En thermochimie on ajoute des variables aux fonctions d'états thermodynamiques qui décrivent le système, on en ajoute autant qu'il y a d'espèces chimiques à considérer, la relation fondamentale d'évolution de l'énergie interne s'écrit alors:

$ dU = -PdV + TdS + \sum_{i} \mu_i dx_i $

où $ \mu_i $ est appelé potentiel chimique de l'espèce i, et $ x_i $ est sa fraction molaire dans le système.

En considérant cette grandeur on comprend tout de suite d'où peut provenir une variation de température dans le cas d'un système soumis à une réaction chimique.
En fait il y a d'autres cas où on ajoute des variables thermodynamiques pour décrire l'état du système, cela dépend de chaque cas, la seule relation toujours vérifiée est:

$ d(U+E_c) = \delta W + \delta Q $
$ E_c $ est l'énergie cinétique macroscopique, la plupart du temps on néglige sa variation, en gros le système complet n'accélère pas sous l'effet d'une variable thermodynamique, mais ça peut être le cas pour un jet de gaz issu d'une explosion par exemple, ou bien lorsqu'on considère le freinage d'une voiture et l'échauffement de ses disques de frein.
W est le travail et Q la chaleur qu'on doit ensuite exprimer dans chaque cas en fonction de variables thermodynamiques.

On peut avoir par exemple dans un cas plus général, lorsqu'on considère le travail des contraintes mécanique (déformation), de tension superficielle, électromagnétique et les réactions chimiques:

$ dU = TdS - PdV + \sigma d\epsilon + \gamma dA + \vec{E} \cdot d\vec{\cal{P}} + \vec{B} \cdot d\vec{\cal{M}} + \sum_{i} \mu_i dx_i $
Maurice
Contributeur d'Or 2013
Contributeur d'Or 2013
Messages : 1049
Inscription : 22/03/2011, 20:47
Niveau d'étude / Domaine : Universitaire
Localisation : Lausanne, Suisse

Re: lien intuitif entre chaleur et liaison chimique

Message par Maurice »

Ce que Geoffrey explique est très bien. Mais j'ai l'impression que cela ne répond pas vraiment à la question que tu te poses.

Il me semble que tu te demandes pourquoi on récupère de l'énergie en faisant une liaison. On peut traiter ceci ainsi.
Lorsque deux atomes éloignés s'approchent en s'attirant (comme deux atomes H qui vont former H2, ou H et Cl qui vont former HCl), leur énergie cinétique est d'abord très faible. Puis, à mesure qu'ils s'approchent, leur vitesse croît, et leur énergie cinétique aussi. Comme l'énergie totale se conserve, plus leur énergie cinétique croît, plus leur énergie potentielle décroît.
Quand la distance entre les noyaux est égale à la la distance ao qui sépare les 2 H au repos dans H2, la vitesse d'approche est maximale. Mais ils se choquent. Et au bout d'un temps très court, ils vont être stoppés à une distance entre noyaux très peu inférieure à ao, où toute l'énergie est à nouveau sous forme potentielle. Puis ils rebondissent en sens inverse, passent par la distance de séparation ao avec une grande vitesse, et finissent pas se séparer et revenir à l'état initial. Ainsi, même si deux atomes s'attirent. Leur collision ne parviendra jamais à former une molécule.
Pour que la collision entre 2 H fasse une molécule H2, (ou que la collision entre H et Cl parvienne é faire HCl), il faut que les deux atomes entrent en collision avec un 3ème atome pendant le court instant que dure leur collision. Si cela se produit, les deux atomes en collision perdent de la vitesse, donc de l'énergie cinétique, pendant qu'ils sont très près l'un de l'autre. Le choc se produira. mais l'énergie totale de l'ensemble des deux atomes sera insuffisante pour qu'ils se séparent après le choc.
Est-ce que c'est ce que tu cherchais à comprendre ?
Geoffrey
Messages : 47
Inscription : 01/04/2011, 15:04
Niveau d'étude / Domaine : ingénieur
Localisation : Toulouse

Re: lien intuitif entre chaleur et liaison chimique

Message par Geoffrey »

Cet excédent d'énergie ne peut-il pas aussi être perdu par radiation? dans ce cas là il n'est pas nécessaire d'avoir un choc à 3 atomes qui est peu probable.
ecolami
Contributeur d'Or 2011+2012
Contributeur d'Or 2011+2012
Messages : 2521
Inscription : 21/03/2011, 14:09
Niveau d'étude / Domaine : DUT CHIMIE
Localisation : Seine et Marne, France
Contact :

Re: lien intuitif entre chaleur et liaison chimique

Message par ecolami »

Bonsoir,
L'approche de Maurice me conduit à considérer que la création d'une liaison n'est pas instantanée: il y a une oscillation (amortie?) entre les atomes avant la stabilisation de la liaison (=la distance entre les atome liès). Si on a une oscillation amortie cela correspond à une émission infra-rouge (=chaleur). Comme la distance diminue on peut estimer que la fréquence d'émission infra-rouge varie en conséquence et qu'au final on aie une émission de type corps noir.
Tri+traitement Produits chimiques 77 (Seine et Marne). Retraité depuis Octobre 2015
http://ami.ecolo.free.fr
Verrouillé