Diagrammes énergétiques

As-tu déjà réfléchi à ce qu'est l'"énergie" ? Certains disent que l'énergie est une force, tandis que d'autres pourraient dire qu'il s'agit d'une substance mystique. Nous allons découvrir qu'il s'agit en fait d'un concept mathématique basé sur la science.

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    Alors, plongeons dans les diagrammes d'énergie!

    • Diagrammes d'énergie totale - Nous avons une introduction à l'énergie et aux composants de base des diagrammes d'énergie.
    • Diagramme des niveaux d'énergie - Nous appliquons le concept d'énergie à la chimie.
    • Diagramme d'énergie orbitale - Nous présentons les diagrammes d'énergie orbitale.
    • Diagramme de l'énergie potentielle - Nous étudions le concept d'enthalpie.
    • Diagramme d'énergie endothermique - Nous détaillons le diagramme d'énergie des réactions chimiques qui absorbent de l'énergie.
    • Diagramme d'énergie exothermique - Nous détaillons le diagramme d'énergie des réactions chimiques qui libèrent de l'énergie.
    • Diagramme de flux d'énergie - Nous présentons un exemple souvent utilisé en thermodynamique.

    Diagramme de l'énergie totale

    "Qu'est-ce que l'énergie ?" Il existe de nombreuses réponses à cette question, car l'énergie est un concept qui peut avoir différentes significations en fonction de la situation :

    • L'énergie est une façon de suivre, mathématiquement, l'énergie potentielle et cinétique dans un système physique.

    • Un système physique est composé d'objets physiques qui, individuellement ou dans leur ensemble, ont la capacité de changer d'état.

    • L'état d'un système est déterminé par les configurations statiques des objets (énergie potentielle) à un moment donné et les mouvements des objets (énergie cinétique) à un autre moment.

    • L'équilibre entre l'énergie potentielle et l'énergie cinétique, pour un système, s'appelle l' énergie totale, ou simplement l'énergie.

    L'énergie peut être décrite à l'aide d'un opérateur appelé hamiltonien :

    $$\hat{H}=\hat{T}+\hat{V}$$

    Où :

    • \(\hat{H} \h) est l'énergie totale
    • \(\hat{T} \h) est l'énergie cinétique
    • \(\hat{V} \h) est l'énergie potentielle.

    Tu peux considérer l'énergie comme un fluide divisé entre deux récipients. Imagine qu'au fur et à mesure que le volume total du fluide est transféré entre deux récipients, l'un représente l'énergie potentielle et l'autre l'énergie cinétique. Ce "fluide énergétique", n'est jamais diminué pendant le transfert. L'énergie totale du système est symbolisée par \(\hat{H} \).

    Diagrammes d'énergie Fluide énergétique hamiltonien StudySmarterFigure 1 : L'hamiltonien est un fluide énergétique transféré entre deux récipients, l'un contenant de l'énergie cinétique et l'autre de l'énergie potentielle.

    Diagramme des niveaux d'énergie

    Maintenant que nous avons une compréhension de base de l'énergie, passons à la discussion sur les diagrammes de niveaux d'énergie . Mais d'abord, nous devons aborder quelques définitions de base.

    Chemin de réaction - le chemin menant des réactifs aux produits dans une réaction chimique.

    Coordonnées de la réaction - la voie de la réaction avec des détails plus fins montrant la progression à travers les intermédiaires des réactifs et les états de transition jusqu'aux produits finaux.

    Énergies orbitales - l'énergie potentielle des électrons au sein d'une liaison chimique.

    Nous pouvons maintenant poser les questions suivantes ,

    1. "Quelle transformation énergétique est représentée dans le diagramme énergétique ?"

    • Dans un diagramme de niveau d'énergie, la transformation de l'énergie totale, \(\hat{H} \), entre l'énergie potentielle, \(\hat{V} \), et l'énergie cinétique, \(\hat{T} \), au cours du temps est représentée.

    2. "Sur quoi repose l'analyse d'un diagramme de transfert d'énergie ?"

    • Pour analyser un diagramme de transfert d'énergie, nous examinons les niveaux d'énergie (axe des y) et nous les mettons en correspondance avec les changements du système dans le temps (axe des x).

    • Les représentations des niveaux d'énergie sur le diagramme peuvent être données en termes d'énergies orbitales, d'enthalpie et d'énergie potentielle.

    • Les représentations du temps sur le diagramme peuvent être données en termes de chemin de réaction, de coordonnées de réaction ou de coordonnées d'atomes (énergie potentielle figée dans le temps) au sein d'une molécule.

    3. "Comment dessiner un diagramme énergétique ?"

    • Pour dessiner un diagramme des niveaux d'énergie, nous mettons une représentation des niveaux d'énergie sur l'axe vertical et une représentation du temps sur l'axe horizontal.

    Diagramme d'énergie orbitale

    Comme je viens de le dire, l'énergie dans un diagramme des niveaux d'énergie peut être représentée de différentes façons. Tout d'abord, examinons les diagrammes qui représentent les énergies orbitales.

    Orbite d'électron - L'espace occupé par un électron lorsqu'il tourne autour d'un noyau. Les électrons dans les orbitales ont des énergies discrètes et suivent la physique de la mécanique quantique.

    1. Demandons d'abord : "Qu'est-ce qu'un diagramme d'énergie orbitale ?" Un diagramme d'énergie orbitale visualise les orbitales d'électrons, dans les atomes et les molécules, en termes de niveaux d'énergie et d'occupation des électrons. Pour créer un diagramme d'énergie orbitale, nous :

    • Selon le principe d'Aufbau, il faut d'abord remplir les orbitales de plus basse énergie avec des paires d'électrons avant de passer aux orbitales de plus haute énergie.

    • Selon le principe d'exclusion de Pauli, deux électrons au maximum peuvent occuper une même orbitale.

    • Selon la règle de Hund, lorsqu'il y a deux orbitales ou plus au même niveau d'énergie, chaque orbitale reçoit d'abord un électron, puis les électrons restants sont ajoutés aux orbitales occupées par un seul électron.

    Diagrammes d'énergie Diagramme d'énergie orbitale StudySmarterFigure 2 : Diagramme d'énergie orbitale, où -M- représente une molécule et les niveaux d'énergie, "état fondamental" et "état excité", représentent des orbitales à l'intérieur d'une molécule.

    Exemple: Créons un diagramme énergétique orbital pour l'atome d'aluminium.

    Un atome d'aluminium a la configuration électronique suivante : 1s22s23p63s23p1, (13 électrons). Le diagramme énergétique orbital de l'aluminium serait donc le suivant :

    Diagrammes énergétiques Diagramme énergétique orbital AluminiumFigure 3 : Diagramme d'énergie orbitale de l'aluminium.

    Remarque, tout d'abord que les niveaux d'énergie orbitale, du plus faible au plus élevé, sont : 1s < 2s < 2p < 3s < 3p. Ensuite, nous avons rempli toutes les orbitales d'énergie inférieure (\(1s \rightarrow 3s\)), avec des paires d'électrons. Il nous reste donc un électron que nous plaçons dans l'une des orbitales 3p.

    Diagramme de l'énergie potentielle

    Posons maintenant la question suivante : "Quel diagramme représente l'énergie potentielle d'une réaction exothermique ou endothermique ?" La réponse est que les deux sont représentées par un diagramme d'énergie potentielle en termes d'enthalpie de formation pour une réaction chimique donnée.

    L' enthalpie de formation, ΔH, d'une substance chimique équivaut à l'énergie potentielle qui est stockée sous forme de chaleur dans les liaisons chimiques d'un composé.

    En termes d'enthalpie de formation pour une réaction chimique :

    • Un diagramme d'énergie potentielle est un graphique avec l'enthalpie (énergie potentielle) sur l'axe vertical et le chemin de réaction (temps) sur l'axe horizontal.

    Considère les diagrammes d'enthalpie, ou d'énergie potentielle, suivants pour un ensemble de réactions chimiques hypothétiques :

    i. Une réaction chimique exothermique :

    Diagrammes d'énergie Enthalpie exothermique StudySmarterFigure 4 : diagramme d'enthalpie pour une réaction chimique exothermique. De la chaleur est libérée par le système, -ΔH.

    ii. Une réaction chimique endothermique :

    Diagrammes d'énergie Enthalpie endothermique StudySmarterFigure 5 : Diagramme d'enthalpie pour une réaction endothermique. La chaleur est absorbée par le système,+ΔH.

    Les diagrammes d'énergie ci-dessus représentent l'enthalpie, ou les énergies potentielles, associées aux produits et aux réactifs. Les réactifs se transforment en produits par une voie de réaction qui implique l'ajout d'énergie cinétique, sous forme de chaleur, au système. Comme indiqué précédemment, l'enthalpie de la formation d'une substance chimique peut être considérée comme équivalente à l'énergie potentielle qui est stockée sous forme de chaleur dans les liaisons chimiques d'un composé.

    Diagramme de l'énergie endothermique

    Qu'est-ce qu'un diagramme d'énergie endothermique ?

    Un diagramme d'énergie end othermique est un graphique dont l'axe vertical représente l'enthalpie (l'énergie) et l'axe horizontal, le chemin de réaction.

    Un diagramme d' énergie end othermique représente la différence d'énergie entre les réactifs et les produits. Il montre l'absorption d'énergie de l'environnement associée à la formation des produits.

    Exemple 1: Considérons l'enthalpie de formation de l'iodure d'hydrogène, HI (g), gazeux à partir de l'hydrogène gazeux,H2 ( g), et de l'iode cristallin, I2( s), dans des conditions standard :

    $$H_2 \left( g \right)+I_2 \left( s \right) \rightarrow 2HI \left( g \right)$$.

    En se référant à un tableau approprié de données thermodynamiques, on peut trouver l'enthalpie de formation des réactifs dans des conditions standard :

    • H (g) : \(\Delta{H_f}^\circ=+218\,kJ/mol \)

    • I (g) : \(\Delta{H_f}^\circ=-197.7\,kJ/mol \)

    Remarquons que l'enthalpie de formation de l'hydrogène gazeux élémentaire,H2 (g), est égale à zéro -H2 (g) : \(\Delta{H_f}^\circ=0\,kJ/mol \). Cependant, cette réaction commence par la rupture des liaisons hydrogène moléculaires, ce qui entraîne la formation d'hydrogène atomique gazeux, H (g) : \(\Delta{H_f}^\circ=+218\,kJ/mol \), et il en va de même pour l'iode moléculaire gazeux, I2 (g).

    L'enthalpie de formation de la forme élémentaire de l'iode (cristalline) est, I2( s) : ΔHf ° = 0,0 kJ/mol. Encore une fois, cette réaction implique la sublimation et la rupture des liaisons au sein du gaz moléculaire, formant l'iodure gazeux ; I - (g) : ΔHf ° = -197,7 kJ/mol.

    Ainsi, le processus de réaction réel est donné par :

    $$H_2 \rightarrow 2H$$

    $$I_2 \rightarrow 2I$$

    En substituant cela, nous obtenons :

    $$2H + 2I \rightarrow 2HI$$$.

    Remarque, il faut tenir compte des coefficients stœchiométriques de l'équation équilibrée, pour obtenir l'enthalpie de formation des réactifs, telle que :

    2 ΔHf ° (Hydrogène atomique gazeux, H ) + 2 ΔHf°(Iodure gazeux, I - ) = 2 - (218,0 kJ/mol) + 2 - (-197,7 kJ/mol) = 40,6 kJ/mol.

    Ainsi, l'enthalpie de formation pour la production de 2 moles d'iodure d'hydrogène, HI, est donnée par :

    2 ΔHf ° (iodure d'hydrogène, HI )= 40,6 kJ/mol.

    Le diagramme d'enthalpie de cette réaction est le suivant :

    Diagrammes d'énergie Enthalpie exothermique StudySmarterFigure 6 : Diagramme d'enthalpie, synthèse de l'iodure d'hydrogène, réaction endothermique.

    La synthèse de l'iodure d'hydrogène à partir de l'hydrogène et de l'iode est une réaction endothermique qui absorbe de l'énergie sous forme de chaleur à partir de l'environnement.

    Diagramme d'énergie exothermique

    Qu'est-ce qu'un diagramme d'énergie exothermique ?

    • Un diagramme d'énergie ex othermique est un graphique dont l'axe vertical représente l'enthalpie (l'énergie) et l'axe horizontal le chemin de la réaction.

    • Un diagramme d' énergie ex othermique représente la différence d'énergie entre les réactifs et les produits. Il montre la libération d'énergie dans l'environnement associée à la formation des produits.

    Exemple 2: Calculons maintenant l'enthalpie de formation du monoxyde d'azote, NO, à partir du gaz ammoniac, NH3, et du gaz oxygène, O2, dans des conditions normales :

    $$4NH_3 \left( g \right)+5O_2 \left( g \right) \rightarrow 4NO \left( g \right)+H_2O \left( g \right)$$.

    En se référant à un tableau standard des enthalpies de formation, on obtient l'enthalpie de formation des réactifs :

    • NH3 (g) : ΔHf°= -45 kJ/mol

    • O2( g) : ΔHf°= 0,0 kJ/mol

    Remarque, nous devons tenir compte des coefficients stœchiométriques de l'équation équilibrée, pour obtenir l'enthalpie de formation des réactifs, telle que :

    $$Réactifs:\N- 4 \NDelta{H_f}^\circ{(Ammoniac\Ngaz)}+5 \NDelta{H_f}^\circ{(Oxygène\Ngaz)}=4\cdot (-45,9\NkJ/mol)+5\cdot (0,0\NkJ/mol)$$.

    $$=-229,5\N,kJ/mol$$.

    Cependant, nous devons également calculer l'enthalpie de formation des produits pour obtenir l'enthalpie du processus global, ΔH° . En te référant à un tableau standard pour les enthalpies de formation :

    • NO (g) : ΔHf°= 90,3 kJ/mol,

    • H2O(g) : ΔHf°= -241,8 kJ/mol.

    Alors :

    $$Products:\,4\,\Delta{H_f}^\circ\,{(Nitric\,Oxide,\,gas)}+6\,\Delta{H_f}^\circ\,{(H_2O,\,vapor)}=4\cdot (90.3\,kJ/mol)+6\cdot (-241.8\,kJ/mol)$$

    $$=-1089,6\,kJ/mol$$.

    Ainsi, l'enthalpie globale du processus, qui est également appelée enthalpie de réaction, ΔH °, donnant lieu à la production de 4 moles d'oxyde nitrique, NO, est donnée par :

    $$\Delta{H}^\circ =\Sigma\,n\,\Delta{H_f}^\circ (Products)-\Sigma\,m\,\Delta{H_f}^\circ (Reactants)=-1089\,kJ/mol-(-229.5\,kJ/mol)=-906.0\,kJ/mol$$

    Où ,

    • Σ, est le symbole de sommation

    • n et m, sont les coefficients stœchiométriques de l'équation équilibrée pour les produits et les réactifs, respectivement.

    Le diagramme d'enthalpie pour cette réaction est :

    Diagrammes d'énergie Exemple de diagramme d'enthalpie exothermique StudySmarterFigure 7 : Diagramme d'enthalpie, synthèse du monoxyde d'azote, réaction exothermique

    La synthèse du monoxyde d'azote à partir de l'ammoniac et de l'oxygène gazeux est un processus exothermique.

    Diagramme du flux d'énergie

    Lesdiagrammes de flux d'énergie décrivent comment l'énergie (chimique, physique, thermique, électrique, lumineuse, etc.) est transférée et/ou transformée dans les processus au sein des systèmes. En ce qui concerne les processus thermodynamiques, le flux d'énergie sous forme de chaleur est au centre de l'attention.

    Par exemple, imagine qu'un moteur reçoive de l'énergie d'une source de chaleur, dont une partie est transformée en travail utile. Le reste de l'énergie, qui n'est pas utilisé pour faire du travail, est perdu dans l'environnement.

    Diagrammes énergétiques Diagramme de flux énergétique StudySmarterFigure 8 : Diagramme de flux d'énergie - Un moteur reçoit de l'énergie, qh, d'une source de chaleur, dont une partie est transformée en travail utile, W, le reste de l'énergie, qc, se perdant dans le puits de froid.

    Cet exemple de moteur est couramment utilisé en thermodynamique et le flux d'énergie représenté ci-dessus est à la base de nombreux processus thermodynamiques.

    Diagrammes d'énergie - Principaux enseignements

    • Un diagramme de niveau d'énergie représente la transformation de l'énergie totale, \(\hat{H} \), entre l'énergie potentielle, \(\hat{V} \), et l'énergie cinétique, \(\hat{T} \), au fil du temps.
    • Un diagramme d'énergie orbitale visualise les orbitales des électrons, dans les atomes et les molécules, en termes de niveaux d'énergie et d'occupation des électrons.
    • Un diagramme d'énergie potentielle est un graphique avec l'enthalpie (énergie potentielle) sur l'axe vertical et le chemin de réaction (temps) sur l'axe horizontal.

    • Un diagramme d'énergie endothermique représente la différence d'énergie entre les réactifs et les produits. Il montre l'absorption d'énergie de l'environnement associée à la formation des produits.

    • Un diagramme d'énergie exothermique représente la différence d'énergie entre les réactifs et les produits. Il montre la libération d'énergie dans l'environnement associée à la formation des produits.

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    Questions fréquemment posées en Diagrammes énergétiques
    Qu'est-ce qu'un diagramme énergétique?
    Un diagramme énergétique représente les niveaux d'énergie des électrons dans les atomes ou les molécules, illustrant la distribution des électrons.
    Pourquoi utiliser des diagrammes énergétiques en chimie?
    Les diagrammes énergétiques aident à illustrer les transitions électroniques et les réactions chimiques, facilitant la compréhension des interactions entre les molécules.
    Comment lire un diagramme énergétique?
    Pour lire un diagramme énergétique, identifiez les niveaux d'énergie des électrons et suivez les flèches indiquant les transitions électroniques entre ces niveaux.
    Quelles informations nous montre un diagramme énergétique?
    Un diagramme énergétique montre les énergies relatives des niveaux électroniques, les transitions possibles entre eux, et les états excités des molécules.
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