Enthalpie de Neutralisation : Réaction HCl + NaOH
Comprendre l'Enthalpie de Neutralisation
La réaction de neutralisation entre un acide fort et une base forte est une réaction exothermique, c'est-à-dire qu'elle dégage de la chaleur. L'enthalpie de neutralisation (\(\Delta_{\text{neut}}\text{H}\) ou \(\Delta_{\text{r}}\text{H}\)) est la variation d'enthalpie associée à la formation d'une mole d'eau lors de la réaction entre un acide et une base en solution aqueuse diluée. On peut la déterminer expérimentalement par calorimétrie, en mesurant l'élévation de température du mélange réactionnel. Cet exercice vous guidera dans le calcul de l'enthalpie de neutralisation de la réaction entre l'acide chlorhydrique (HCl) et l'hydroxyde de sodium (NaOH).
Données de l'étude
- Volume de la solution d'acide chlorhydrique (\(\text{V}_{\text{HCl}}\)) : \(50,0 \, \text{mL}\)
- Concentration de la solution d'acide chlorhydrique (\(\text{C}_{\text{HCl}}\)) : \(1,00 \, \text{mol/L}\)
- Volume de la solution d'hydroxyde de sodium (\(\text{V}_{\text{NaOH}}\)) : \(50,0 \, \text{mL}\)
- Concentration de la solution d'hydroxyde de sodium (\(\text{C}_{\text{NaOH}}\)) : \(1,00 \, \text{mol/L}\)
- Température initiale des deux solutions (\(\text{T}_{\text{initiale}}\)) : \(20,0 \, \text{°C}\)
- Température finale du mélange après réaction (\(\text{T}_{\text{finale}}\)) : \(26,7 \, \text{°C}\)
- Masse volumique de toutes les solutions (assimilée à celle de l'eau, \(\rho_{\text{solution}}\)) : \(1,00 \, \text{g/mL}\)
- Capacité thermique massique de la solution finale (assimilée à celle de l'eau, \(\text{c}_{\text{solution}}\)) : \(4,18 \, \text{J} \cdot \text{g}^{-1} \cdot \text{°C}^{-1}\) (ou \(\text{J} \cdot \text{g}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}\))
- On néglige la capacité thermique du calorimètre et les pertes de chaleur vers l'extérieur.
Schéma : Calorimétrie de la Réaction de Neutralisation
Schéma simplifié d'une expérience de calorimétrie pour mesurer la chaleur de réaction.
Questions à traiter
- Calculer la quantité de matière (en moles) d'ions \(\text{H}_3\text{O}^+\) (provenant de HCl) initialement présente.
- Calculer la quantité de matière (en moles) d'ions \(\text{OH}^-\) (provenant de NaOH) initialement présente.
- Identifier le réactif limitant de la réaction de neutralisation. Justifier.
- Calculer la masse totale (\(\text{m}_{\text{solution}}\)) de la solution dans le calorimètre après mélange.
- Calculer la variation de température (\(\Delta\text{T}\)) de la solution.
- Calculer la quantité de chaleur (\(\text{Q}\)) absorbée par la solution (et donc dégagée par la réaction, au signe près). On prendra \(\text{Q} = \text{m}_{\text{solution}} \times \text{c}_{\text{solution}} \times \Delta\text{T}\).
- Déterminer l'enthalpie molaire de neutralisation (\(\Delta_{\text{neut}}\text{H}\)) pour cette réaction, exprimée en kilojoules par mole d'eau formée (\(\text{kJ/mol}\)). (Attention au signe de \(\Delta_{\text{neut}}\text{H}\) et à la quantité de matière d'eau formée).
- La réaction est-elle exothermique ou endothermique ? Justifier à partir du signe de \(\Delta_{\text{neut}}\text{H}\) ou de la variation de température.
Correction : Enthalpie de Neutralisation : Réaction HCl + NaOH
Question 1 : Quantité de matière d'ions \(\text{H}_3\text{O}^+\)
Principe :
L'acide chlorhydrique (HCl) est un acide fort, il se dissocie totalement dans l'eau selon \(\text{HCl(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+\text{(aq)} + \text{Cl}^-\text{(aq)}\). Donc, la quantité de matière d'ions \(\text{H}_3\text{O}^+\) est égale à la quantité de matière de HCl introduite, qui se calcule par \(\text{n} = \text{C} \times \text{V}\).
Données spécifiques :
- \(\text{C}_{\text{HCl}} = 1,00 \, \text{mol/L}\)
- \(\text{V}_{\text{HCl}} = 50,0 \, \text{mL} = 50,0 \times 10^{-3} \, \text{L} = 0,0500 \, \text{L}\)
Calcul :
Question 2 : Quantité de matière d'ions \(\text{OH}^-\)
Principe :
L'hydroxyde de sodium (NaOH) est une base forte, il se dissocie totalement dans l'eau selon \(\text{NaOH(s)} \xrightarrow{\text{eau}} \text{Na}^+\text{(aq)} + \text{OH}^-\text{(aq)}\). Donc, la quantité de matière d'ions \(\text{OH}^-\) est égale à la quantité de matière de NaOH introduite.
Données spécifiques :
- \(\text{C}_{\text{NaOH}} = 1,00 \, \text{mol/L}\)
- \(\text{V}_{\text{NaOH}} = 50,0 \, \text{mL} = 0,0500 \, \text{L}\)
Calcul :
Question 3 : Identification du réactif limitant
Principe :
La réaction de neutralisation est \(\text{H}_3\text{O}^+\text{(aq)} + \text{OH}^-\text{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O(l)}\) (simplifiée de HCl + NaOH). Les coefficients stœchiométriques des ions \(\text{H}_3\text{O}^+\) et \(\text{OH}^-\) sont de 1. On compare les quantités de matière initiales divisées par leur coefficient.
Comparaison :
Pour \(\text{H}_3\text{O}^+\) : \(\frac{\text{n}_{\text{H}_3\text{O}^+}}{1} = 0,0500 \, \text{mol}\)
Pour \(\text{OH}^-\) : \(\frac{\text{n}_{\text{OH}^-}}{1} = 0,0500 \, \text{mol}\)
Les rapports sont égaux. Cela signifie que les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques. Il n'y a pas de réactif limitant unique ; les deux réactifs seront entièrement consommés si la réaction est totale.
Question 4 : Masse totale de la solution (\(\text{m}_{\text{solution}}\))
Principe :
La masse totale de la solution est la somme des masses des deux solutions mélangées. La masse d'une solution peut être calculée à partir de son volume et de sa masse volumique (\(\text{m} = \rho \times \text{V}\)).
Données spécifiques :
- \(\text{V}_{\text{HCl}} = 50,0 \, \text{mL}\)
- \(\text{V}_{\text{NaOH}} = 50,0 \, \text{mL}\)
- \(\rho_{\text{solution}} = 1,00 \, \text{g/mL}\)
Calcul :
Volume total de la solution :
Masse totale de la solution :
Il faut convertir cette masse en kg pour les calculs d'énergie si la capacité thermique est en \(\text{J} \cdot \text{kg}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}\), mais ici \(\text{c}_{\text{solution}}\) est en \(\text{J} \cdot \text{g}^{-1} \cdot \text{°C}^{-1}\), donc on peut garder les grammes.
Question 5 : Variation de température (\(\Delta\text{T}\))
Principe :
\(\Delta\text{T} = \text{T}_{\text{finale}} - \text{T}_{\text{initiale}}\).
Données spécifiques :
- \(\text{T}_{\text{finale}} = 26,7 \, \text{°C}\)
- \(\text{T}_{\text{initiale}} = 20,0 \, \text{°C}\)
Calcul :
(Une variation de température en °C est égale à une variation en Kelvin, K).
Question 6 : Quantité de chaleur (\(\text{Q}\)) absorbée par la solution
Principe :
La quantité de chaleur absorbée par la solution est donnée par \(\text{Q} = \text{m}_{\text{solution}} \times \text{c}_{\text{solution}} \times \Delta\text{T}\).
Données spécifiques :
- \(\text{m}_{\text{solution}} = 100,0 \, \text{g}\)
- \(\text{c}_{\text{solution}} = 4,18 \, \text{J} \cdot \text{g}^{-1} \cdot \text{°C}^{-1}\)
- \(\Delta\text{T} = 6,7 \, \text{°C}\)
Calcul :
On peut arrondir à \(2,80 \times 10^3 \, \text{J}\) ou \(2,80 \, \text{kJ}\) (en gardant 3 chiffres significatifs comme pour \(\Delta\text{T}\) et \(\text{c}\)). Prenons \(2800,6 \, \text{J}\) pour la suite.
Question 7 : Enthalpie molaire de neutralisation (\(\Delta_{\text{neut}}\text{H}\))
Principe :
L'enthalpie de réaction (\(\Delta_{\text{r}}\text{H}\)) est la chaleur échangée à pression constante. Si la réaction dégage de la chaleur (exothermique), \(\text{Q}_{\text{réaction}} < 0\). La chaleur mesurée (\(\text{Q}\)) est celle absorbée par le calorimètre (ici la solution), donc \(\text{Q}_{\text{réaction}} = -\text{Q}\). L'enthalpie molaire de neutralisation est cette chaleur rapportée à une mole d'eau formée.
La réaction est \(\text{H}_3\text{O}^+ + \text{OH}^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}\). Puisque les réactifs sont en proportions stœchiométriques, la quantité d'eau formée est égale à la quantité de \(\text{H}_3\text{O}^+\) (ou \(\text{OH}^-\)) qui a réagi, soit \(0,0500 \, \text{mol}\).
Calcul :
Chaleur dégagée par la réaction :
Quantité d'eau formée (\(\text{n}_{\text{eau}}\)) :
Enthalpie molaire de neutralisation :
Conversion en kJ/mol :
Quiz Intermédiaire 2 : Une valeur négative pour \(\Delta\text{H}\) signifie que la réaction :
Question 8 : Caractère exothermique ou endothermique
Principe :
Une réaction exothermique libère de l'énergie thermique dans le milieu extérieur (le \(\Delta\text{H}\) est négatif, la température du milieu augmente). Une réaction endothermique absorbe de l'énergie thermique du milieu extérieur (le \(\Delta\text{H}\) est positif, la température du milieu diminue).
Justification :
La variation de température mesurée est \(\Delta\text{T} = 6,7 \, \text{°C}\). Puisque \(\Delta\text{T} > 0\), la température de la solution (le milieu) a augmenté. Cela signifie que la réaction chimique a libéré de la chaleur vers la solution.
De plus, nous avons calculé \(\Delta_{\text{neut}}\text{H} \approx -56,0 \, \text{kJ/mol}\). Un signe négatif pour l'enthalpie de réaction indique que la réaction est exothermique.
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. L'enthalpie de neutralisation est généralement :
2. Si la température d'un système augmente lors d'une réaction chimique se déroulant à l'intérieur, la réaction est :
3. La capacité thermique massique (\(\text{c}\)) d'une substance représente :
Glossaire
- Enthalpie de Réaction (\(\Delta_{\text{r}}\text{H}\))
- Variation d'enthalpie d'un système réactionnel au cours d'une transformation chimique effectuée à pression constante. Elle correspond à la chaleur échangée avec le milieu extérieur à pression constante.
- Enthalpie Molaire de Neutralisation (\(\Delta_{\text{neut}}\text{H}\))
- Variation d'enthalpie accompagnant la formation d'une mole d'eau lors de la réaction de neutralisation entre un acide et une base en solution aqueuse diluée.
- Réaction Exothermique
- Réaction chimique qui libère de l'énergie thermique vers le milieu extérieur (\(\Delta_{\text{r}}\text{H} < 0\)). La température du milieu réactionnel a tendance à augmenter.
- Réaction Endothermique
- Réaction chimique qui absorbe de l'énergie thermique du milieu extérieur (\(\Delta_{\text{r}}\text{H} > 0\)). La température du milieu réactionnel a tendance à diminuer.
- Calorimétrie
- Ensemble des techniques de mesure des quantités de chaleur échangées lors de transformations physiques ou chimiques.
- Calorimètre
- Dispositif isolé thermiquement utilisé pour mesurer les échanges de chaleur.
- Capacité Thermique Massique (\(\text{c}\))
- Quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'une unité de masse (généralement 1 gramme ou 1 kilogramme) d'une substance de 1 degré Celsius (ou 1 Kelvin). Unité : \(\text{J} \cdot \text{g}^{-1} \cdot \text{°C}^{-1}\) ou \(\text{J} \cdot \text{kg}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}\).
- Quantité de Chaleur (\(\text{Q}\))
- Énergie thermique transférée entre deux systèmes en raison d'une différence de température. Unité : Joule (\(\text{J}\)).
- Réactif Limitant
- Réactif qui est entièrement consommé en premier lors d'une réaction chimique et qui détermine la quantité maximale de produit pouvant être formée.
- Proportions Stœchiométriques
- Rapports des quantités de matière des réactifs et des produits tels qu'indiqués par les coefficients de l'équation bilan équilibrée.
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