Physique et Chimie au lycée Jan Neruda de Prague
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Quelques exercices pour finir...

mardi 18 octobre 2011 par Luc Tartier

Le site www.chimix.com donne le corrigé sur la même page que les questions. Je les reprends donc ici sans le corrigé pour pouvoir chercher puis vérifier...
 
 
 
1

sublimation I2.
  1. La chaleur de formation standard à 25°C de l’iodure d’hydrogène HI gazeux, à partir de diiode solide et de H2 gazeux est de 26,5 kJ.mol-1.
  2. Ecrire l’équation thermochimique correspondant à la formation de 2 moles HI.
  3. Déterminer la chaleur de formation de HI gazeux à partir de diiode gazeux.
  4. En déduire la chaleur latente molaire de sublimation du diiode.

    Energie de liaison en kJ mol-1 : E(I-I) = 150 ; E(H-H)=432 ; E(H-I)=297
2

Energie de la liaison N-N

La chaleur de combustion de H2N-NH2 gazeux est -585 kJ.mol-1.

  1. Ecrire l’équation bilan sachant que cela donne du diazote et H20(g).
  2. En déduire l’énergie de liaison N-N

énergie de liaison en kJ/mol : E(N-H)=388 ; E(O=O)=494 ; E(N triple liaison N)=940 ; E(O-H)=460 
3

butane

 

  1. A l’aide des données thermochimiques ci dessous, déterminer la chaleur de combustion du butane normal
    (1) 4C + 5H2 donne C4H10 Q1= -125 kJ / mol
    (2) C + O2 donne CO2 Q2= - 393 kJ / mol
    (3) H2 + 1/2O2 donne H20 Q3= - 286 kJ / mol
  2. Quelle quantité de chaleur maximale peut on obtenir à partir d’une bouteille de camping-gaz contenant 500g de butane ?
 
 Autre page intéressante qu’il est préférable de voir d’abord sans les réponses.
 

L’énergie : quelques ordres de grandeur, production d’énergie par combustion

Plusieurs unités sont habituellement utilisées pour exprimer puissance et énergie. Tous les résultats demandés dans ce problème sont à donner en unité internationale : joule pour l’énergie et watt pour la puissance. Toutefois le scientifique est amené à lire et utiliser des documents rédigés avec d’autres unités : la consommation électrique d’un foyer est par exemple comptée en kilowatt heure ( kWh), correspondant à l’énergie consommée pendant une heure si la puissance mise en jeu est égale à 1000 wattts.
Consommation domestique.
Les évaluations effectuées ci-dessous visent à donner quelques ordres de grandeur, en vue d’estimer les consommations de divers appareils de la vie courante.
Exprimer la valeur d’un kilowatt heure.

Quelle énergie électrique consomme en une journée un radiateur dont la puissance est 2000 W, s’il fonctionne pendant 30 % du temps ?

Quelle énergie faut-il fournir pour porter 5 L d’eau de 5 °C à 60°C ?
Capacité thermique massique de l’eau : c = 4,18 103 J kg-1 K-1.


Un corps de masse m = 5 kg tourne à la vitesse de 600 tours par minute, sur une trajectoire circulaire de rayon r = 0,4 m.
Quelle est son énergie cinétique ?

Dans un lave-linge, quelle est la fonction qui consomme le plus, le lavage à 60°C ou l’essorage ?

Estimer l’ordre de grandeur de la puissance électrique que doit absorber une bouilloire électrique pour porter 1 L d’eau froide à l’ébullition en 2 min 30 s ?
Energie thermique ( chaleur latente ) de changement d’état H2O(l) —> H2O(g) : 44 kJ mol-1.

La prise électrique alimentée à travers un fusible de 16 A convient-elle ?

Classer par ordre décroissant de puissance maximale consommée, les appareils suivants : lave-linge, lampe de bureau, bouilloire.

Production d’énergie par combustion.
Le terme production est impropre, puisqu’il ne peut, s’agissant d’énergie, qu’être question de conversion. Examinons dans un premier temps les traits caractéristiques de l’exploitation de combustibles fossiles.
Energie fossile.
Au niveau mobdial, la majeur partie de l’énergie exploitée actuellement provient d’hydrocarbures, comme le gaz naturel et le pétrole.
De quels éléments chimiques est constitué un hydrocarbure ?

Dans cette famille, quelle propriété caractérise les liaisons chimiques d’un alcanes ?

Donner la formule brute d’un alcane linéaire dont le squelette comporte n atomes de carbone

Exprimer la masse molaire de cet alcane en fonction de n puis le pourcentage massique de carbone pc.

Déterminer l’alcane linéaire de pourcentage massique pc = 81,8 %.

La formule brute d’un alcane linéaire est-elle encore valable pour un alcane à squelette ramifié, comportant un même nombre d’atome de carbone ? Si non, quelle est-elle ?

Même question pour un alcane cyclique.

Donner la formule semi-développée et nommer l’alcane linéaire à 4 atomes de carbone.

D’autres alcanes ont-ils la même formule brute ? Si oui, donner leur formule semi-développée.

Existe t-il des alcanes de formule brute C4H8 ? Si oui, donner leur formule semi-développée.
 

Méthode de séparation :
On extrait du pétrole brut un mélange d’hydrocarbures dont il faut séparer les constituants. On exploite pour ce faire la différence de température de changement d’état liquide-vapeur ( notée Téb) des différents constituants ( la pression est P = 105 Pa).
Quel est l’hydrocarbure dont la température Téb est la plus faible ? Dans les conditions normales ( conditions ambiantes) sous quel état se présente t-il  ?

Comment s’appelle la technique de séparation, utilisant une colonne, dans laquelle le mélange dont on veut extraire les constituants est chauffé ?

Classer par ordre de température Téb croissante des sous-familles suivantes : gaz naturel, bitumes, essences, fioul.
gaz naturel ( 90 % méthane) ; essences ; fioul ; bitumes.

Parmi les multiples constituants du pétrole qui ne sont pas des hydrocarbures, on compte les chlorures de sodium, de calcium....
Rappeler les formules des ions chlorure, sodium et calcium.

Expliquer que l’injection d’eau permette aisément leur élimination ; écrire les équations chimiques correspondantes.

Renouvellement.
Quelle est l’origine de la formation du pétrole ?

Comment ce fait est-il corrélé avec l’origine évquée ci-dessus ?

L’ordre de grandeur de la durée de formation de pétrole est-il le siècle, la dizaine de millénaires, plusieurs dizaines de millions d’années ?

Classe t-on les combustibles fossiles parmi les sources d’énergies renouvellable ?

Valeur énergétique de quelques combustibles.
Lorsqu’on cherche à disposer d’énergie thermique, dans une centrale de production d’électricité ou dans une chaudière domestique, on met en oeuvre une réaction de combustion. On souhaite effectuer ici un comparatif. Le premier combustible envisagé est le méthane, de formule chimique CH4.
Ecrire et équilibrer la réaction de combustion d’une mole de méthane dans le dioxygène, les produits étant le dioxyde de carbone et l’eau.

Représenter le schéma de Lewis de chacune de ces molécules.

On donne les énergies de liaison ( kJ / mol), c’est à dire l’énergie qu’il faut fournir pour rompre une liaison covalente.
DH-H = 432 ; DH-O = 459 ; DO=O = 494 ; DC=O = 799 ; DC-H = 411 ; DC-C = 346.
En déduire la valeur de la quantité d’énergie ( J) dégagée par la combustion d’une mole de méthane.

En pratique, la valeur énergétique d’un combustible( noté Comb) est donnée pour la réaction :
Comb + x O2 = y CO2(g) + z H2O (l).
x, y et z sont des coefficients ( éventuellement fractionnaires ) permettant d’équilibrer la réaction avec une mole de combustible et où l’eau formée est à l’état liquide. On doit donc prendre en compte dans le calcul précédent l’énergie associée au changement d’état d’état de l’eau, de gazeux à liquide.
En déduire ( J mol-1) la valeur énergétique du méthane, avec cette nouvelle convention.
Quelle est en J kg-1, la valeur énergétique du méthane ?

Effectuer avec la même méthode, le calcul de la valeur énergétique du dihydrogène et du propane C3H8.

Porter les résultats dans un tableau, en y adjoignant la valeur du charbon, dont la valeur énergétique est 8 kWh kg-1. 8 kWh kg-1 = 8 *3600*1000 J kg-1 = 2,9 107 J kg-1. Conclure.
combustible dihydrogène méthane propane charbon
valeur énergétique J kg-1. 1,4 108 5,6 107 5,0 107 2,9 107
Le dihydrogène possède une valeur énergétique trois fois plus grande que celle des alcanes ; les alcanes ( méthane et propane) possèdent une valeur énergétique environ deux fois plus grande que celle du charbon
Une unité courante dans le domaine industriel est la tonne équivalent pétrole ( tep qui correspond à la valeur énergétique d’une tonne de pétrole soit 11600 kWh. Comparer aux autres valeurs trouvées.
11600 kWh t-1=11,6 kWh kg-1 = 11,6 *3600*1000 J kg-1 = 4,2 107 J kg-1.
Analyse d’un échantillon.
On procède à la combustion de 1,45 g d’un hydrocarbure de formule brute CxHy, en présence d’un excès de dioxygène. La vapeur d’eau et le gaz recueillis passent successivement dans un desséchant D, qui absorbe toute la vapeur d’eau et dans une solution S d’hydroxyde de sodium dans laquelle le gaz est barboté. L’augmentation de masse du desséchant est égale à 2,25 g, tandis que celle de la solution S est 4,40 g.
Ecrire la réaction chimique traduisant l’absorption du gaz dns la solution S.

Quelle propriété du gaz est-elle mise à profit  ? ( acide, basique, oxydante, réductrice )
CO2(aq) est l’acide du couple acide / base : CO2(aq) /HCO3-aq.
L’hydrocarbure est un alcane non cyclique. Déterminer sa formule brute.
 

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