RÉACTION ENDOTHERMIQUE: CARACTÉRISTIQUES, ÉQUATIONS ET EXEMPLES - CHIMIE - 2025

Une réaction endothermique est celle qui, pour avoir lieu, doit absorber l'énergie, sous forme de chaleur ou de rayonnement, de son environnement. Généralement, mais pas toujours, ils peuvent être reconnus par une baisse de température dans leur environnement; ou au contraire, ils ont besoin d'une source de chaleur, telle que celle obtenue par une flamme allumée.

L'absorption d'énergie ou de chaleur est ce que toutes les réactions endothermiques ont en commun; leur nature, ainsi que les transformations impliquées, sont très diverses. Combien de chaleur doivent-ils absorber? La réponse dépend de sa thermodynamique: la température à laquelle la réaction se produit spontanément.

Fonte de la stalactite de glace. Source: Pixabay

Par exemple, l'une des réactions endothermiques les plus emblématiques est le changement d'état de la glace à l'eau liquide. La glace a besoin d'absorber la chaleur jusqu'à ce que sa température atteigne environ 0 ° C; à cette température, sa fusion devient spontanée et la glace absorbe jusqu'à ce qu'elle ait complètement fondu.

Dans les espaces chauds, comme sur les rives d'une plage, les températures sont plus élevées et donc la glace absorbe la chaleur plus rapidement; c'est-à-dire qu'il fond plus rapidement. La fonte des glaciers est un exemple de réaction endothermique indésirable.

Pourquoi cela se passe-t-il de cette façon? Pourquoi la glace ne peut-elle pas apparaître comme un solide chaud? La réponse réside dans l'énergie cinétique moyenne des molécules d'eau dans les deux états et dans la façon dont elles interagissent entre elles par le biais de leurs liaisons hydrogène.

Dans l'eau liquide, ses molécules ont une plus grande liberté de mouvement que dans la glace, où elles vibrent stationnaires dans ses cristaux. Pour se déplacer, les molécules doivent absorber l'énergie de telle sorte que leurs vibrations rompent les fortes liaisons hydrogène directionnelles dans la glace.

Pour cette raison, la glace absorbe la chaleur pour fondre. Pour que la «glace chaude» existe, les liaisons hydrogène devraient être anormalement fortes pour fondre à une température bien supérieure à 0 ° C.

Caractéristiques d'une réaction endothermique

Le changement d'état n'est pas proprement une réaction chimique; Cependant, la même chose se produit: le produit (eau liquide) a une énergie plus élevée que le réactif (glace). C'est la caractéristique principale d'une réaction ou d'un procédé endothermique: les produits sont plus énergétiques que les réactifs.

Bien que cela soit vrai, cela ne signifie pas que les produits doivent nécessairement être instables. Dans ce cas, la réaction endothermique cesse d'être spontanée dans toutes les conditions de température ou de pression.

Considérez l'équation chimique suivante:

A + Q => B

Où Q représente la chaleur, généralement exprimée en unités de joule (J) ou de calories (cal). Comme A absorbe la chaleur Q pour se transformer en B, on dit alors qu'il s'agit d'une réaction endothermique. Ainsi, B a plus d'énergie que A et doit absorber suffisamment d'énergie pour réaliser sa transformation.

Diagramme de réaction endothermique pour A et B.Source: Gabriel Bolívar

Comme on peut le voir sur le diagramme ci-dessus, A a moins d'énergie que B. La quantité de chaleur Q absorbée par A est telle qu'elle surmonte l'énergie d'activation (l'énergie nécessaire pour atteindre le sommet violet). La différence d'énergie entre A et B est ce que l'on appelle l'enthalpie de la réaction, ΔH.

ΔH> 0

Toutes les réactions endothermiques ont en commun le diagramme ci-dessus, car les produits sont plus énergétiques que les réactifs. Par conséquent, la différence d'énergie entre eux, ΔH, est toujours positive (H _Product -H _Reactive > 0). Comme cela est vrai, il doit y avoir une absorption de chaleur ou d'énergie de l'environnement pour répondre à ce besoin énergétique.

Et comment ces expressions sont-elles interprétées? Dans une réaction chimique, les liaisons sont toujours rompues pour en créer de nouvelles. Pour les briser, l'absorption d'énergie est nécessaire; c'est-à-dire qu'il s'agit d'une étape endothermique. Pendant ce temps, la formation des liaisons implique la stabilité, c'est donc une étape exothermique.

Lorsque les liaisons formées n'offrent pas une stabilité comparable à la quantité d'énergie nécessaire pour rompre les anciennes liaisons, il s'agit d'une réaction endothermique. C'est pourquoi une énergie supplémentaire est nécessaire pour favoriser la rupture des liaisons les plus stables dans les réactifs.

En revanche, dans les réactions exothermiques, c'est l'inverse qui se produit: de la chaleur est libérée et ΔH est <1 (négatif). Ici, les produits sont plus stables que les réactifs, et le diagramme entre A et B change de forme; maintenant B est en dessous de A, et l'énergie d'activation est inférieure.

Ils rafraîchissent leur environnement

Bien qu'elle ne s'applique pas à toutes les réactions endothermiques, plusieurs d'entre elles provoquent une diminution de la température de leur environnement. C'est parce que la chaleur absorbée vient de quelque part. Par conséquent, si la conversion de A et B devait avoir lieu à l'intérieur d'un conteneur, il refroidirait.

Plus la réaction est endothermique, plus le récipient et son environnement deviendront froids. En fait, certaines réactions sont même capables de former une fine couche de glace, comme si elles étaient sorties d'un réfrigérateur.

Cependant, il existe des réactions de ce type qui ne refroidissent pas leur environnement. Parce que? Parce que la chaleur environnante est insuffisante; c'est-à-dire qu'il ne fournit pas le Q (J, cal) nécessaire qui est écrit dans les équations chimiques. C'est donc à ce moment que le feu ou les rayons UV pénètrent.

Une petite confusion peut surgir entre les deux scénarios. D'une part, la chaleur de l'environnement est suffisante pour que la réaction se déroule spontanément et un refroidissement est observé; et d'autre part, il faut plus de chaleur et une méthode de chauffage efficace est utilisée. Dans les deux cas, la même chose se produit: l'énergie est absorbée.

Équations

Quelles sont les équations pertinentes dans une réaction endothermique? Comme déjà expliqué, le ΔH doit être positif. Pour le calculer, l'équation chimique suivante est d'abord considérée:

aA + bB => cC + dD

Où A et B sont les réactifs, et C et D sont les produits. Les lettres minuscules (a, b, c et d) sont les coefficients stoechiométriques. Pour calculer le ΔH de cette réaction générique, l'expression mathématique suivante est appliquée:

_Produits ΔH - _Réactifs ΔH = ΔH _rxn

Vous pouvez procéder directement ou effectuer les calculs séparément. Pour les _produits ΔH, la somme suivante doit être calculée:

c ΔH _f C + d ΔH _f D

Où ΔH _f est l'enthalpie de formation de chaque substance impliquée dans la réaction. Par convention, les substances sous leurs formes les plus stables ont ΔH _f = 0. Par exemple, les molécules de O ₂ et H ₂, ou un métal solide, ont ΔH _f = 0.

Le même calcul est maintenant effectué pour les réactifs, ΔH _Reagents:

a ΔH _f A + b ΔH _f B

Mais puisque l'équation dit que les _réactifs ΔH doivent être soustraits des _produits ΔH, la somme ci-dessus doit être multipliée par -1. Donc vous avez:

c ΔH _f C + d ΔH _f D - (a ΔH _f A + b ΔH _f B)

Si le résultat de ce calcul est un nombre positif, il s'agit d'une réaction endothermique. Et s'il est négatif, c'est une réaction exothermique.

Exemples de réactions endothermiques courantes

Évaporation de la glace sèche

Glace sèche. Source: Nevit, de Wikimedia Commons

Quiconque a déjà vu ces vapeurs blanches émanant d'un chariot de crème glacée a été témoin de l'un des exemples les plus courants d'une «réaction» endothermique.

Au-delà de certaines glaces, ces vapeurs libérées des solides blancs, appelées glace sèche, ont également fait partie des scénarios pour créer l'effet de brume. Cette neige carbonique n'est rien de plus que du dioxyde de carbone solide qui, lorsqu'elle absorbe la température et la pression externe, commence à se sublimer.

Une expérience pour un public d'enfants serait de remplir et de sceller un sac avec de la glace sèche. Après un certain temps, il finira par gonfler à cause du CO ₂ gazeux, ce qui génère du travail ou presse les parois internes du sac contre la pression atmosphérique.

Cuisson du pain ou cuisson des aliments

Pain au four. Source: Pixabay

La cuisson du pain est un exemple de réaction chimique, car il y a maintenant des changements chimiques dus à la chaleur. Quiconque a senti l'arôme des pains fraîchement cuits sait qu'une réaction endothermique se produit.

La pâte et tous ses ingrédients ont besoin de la chaleur du four pour effectuer toutes les transformations, indispensables pour devenir pain et présenter ses caractéristiques typiques.

En plus des pains, la cuisine regorge d'exemples de réactions endothermiques. Celui qui cuisine les traite quotidiennement. Cuire les pâtes, ramollir les grains, chauffer les grains de maïs, cuire les œufs, assaisonner les viandes, cuire un gâteau, faire du thé, chauffer les sandwichs; chacune de ces activités sont des réactions endothermiques.

Bain de soleil

Les tortues prennent un bain de soleil. Source: Pixabay

Aussi simples et courants qu'ils puissent paraître, les bains de soleil pris par certains reptiles, comme les tortues et les crocodiles, entrent dans la catégorie des réactions endothermiques. Les tortues absorbent la chaleur du soleil pour réguler leur température corporelle.

Sans le soleil, ils retiennent la chaleur de l'eau pour se réchauffer; ce qui se termine par le refroidissement de l'eau de vos étangs ou aquariums.

Réaction de l'azote atmosphérique et de la formation d'ozone

Foudre. Source: Pixabay

L'air est principalement composé d'azote et d'oxygène. Lors des orages électriques, une telle énergie est libérée qu'elle peut rompre les liaisons fortes qui maintiennent les atomes d'azote ensemble dans la molécule de N ₂:

N ₂ + O ₂ + Q => 2NO

D'un autre côté, l'oxygène peut absorber le rayonnement ultraviolet pour devenir de l'ozone; allotrope d'oxygène très bénéfique dans la stratosphère, mais préjudiciable à la vie au niveau du sol. La réaction est:

3O ₂ + v => 2O ₃

Où v signifie rayonnement ultraviolet. Le mécanisme derrière cette équation simple est très complexe.

Electrolyse de l'eau

L'électrolyse utilise l'énergie électrique pour séparer une molécule en ses éléments ou molécules de formation. Par exemple, dans l'électrolyse de l'eau, deux gaz sont générés: l'hydrogène et l'oxygène, chacun dans des électrodes différentes:

2H ₂ O => 2H ₂ + O ₂

De plus, le chlorure de sodium peut subir cette même réaction:

2NaCl => 2Na + Cl ₂

Dans une électrode, vous verrez la formation de sodium métallique et dans l'autre, des bulles verdâtres de chlore.

Photosynthèse

Les plantes et les arbres ont besoin d'absorber la lumière du soleil comme source d'énergie pour synthétiser leurs biomatériaux. Pour cela, il utilise du CO ₂ et de l'eau comme matières premières qui, à travers une longue série d'étapes, sont converties en glucose et autres sucres. De plus, de l'oxygène se forme, qui est libéré par les feuilles.

Solutions de certains sels

Si le chlorure de sodium est dissous dans l'eau, aucun changement appréciable ne sera remarqué dans la température extérieure du verre ou du récipient.

Certains sels, comme le chlorure de calcium, CaCl ₂, augmentent la température de l'eau en raison de la grande hydratation des ions Ca ²⁺. Et d'autres sels, tels que le nitrate ou le chlorure d'ammonium, NH ₄ NO ₃ et NH ₄ Cl, abaissent la température de l'eau et refroidissent son environnement.

Dans les salles de classe, des expériences à domicile sont souvent effectuées en dissolvant certains de ces sels pour démontrer ce qu'est une réaction endothermique.

La baisse de température est due au fait que l'hydratation des ions NH ₄ ⁺ n'est pas favorisée contre la dissolution des arrangements cristallins de leurs sels. Par conséquent, les sels absorbent la chaleur de l'eau pour permettre aux ions d'être solvatés.

Une autre réaction chimique qui est généralement très courante pour démontrer cela est la suivante:

Ba (OH) ₂ 8H ₂ O + 2NH ₄ NO ₃ => Ba (NO ₃) ₂ + 2NH ₃ + 10H ₂ O

Notez la quantité d'eau formée. Lorsque les deux solides sont mélangés, _{on obtient} une solution aqueuse de Ba (NO ₃) ₂, avec une odeur d'ammoniaque, et avec une baisse de température telle qu'elle gèle littéralement la surface externe du récipient.

Décompositions thermiques

L'une des décompositions thermiques les plus courantes est celle du bicarbonate de sodium, NaHCO ₃, pour produire du CO ₂ et de l'eau lorsqu'il est chauffé. De nombreux solides, y compris les carbonates, se décomposent souvent pour libérer du CO ₂ et l'oxyde correspondant. Par exemple, la décomposition du carbonate de calcium est la suivante:

CaCO ₃ + Q => CaO + CO ₂

Il en va de même pour les carbonates de magnésium, de strontium et de baryum.

Il est important de noter que la décomposition thermique est différente de la combustion. Dans le premier, il n'y a pas de présence d'allumage ou de chaleur est libérée, tandis que dans le second il y en a; c'est-à-dire que la combustion est une réaction exothermique, même lorsqu'elle nécessite qu'une source de chaleur initiale se produise ou se produise spontanément.

Chlorure d'ammonium dans l'eau

Lorsqu'une petite quantité de chlorure d'ammonium (NH4Cl) est dissoute dans l'eau dans un tube à essai, le tube devient plus froid qu'auparavant. Au cours de cette réaction chimique, la chaleur est absorbée par l'environnement.

Triosulfate de sodium

Lorsque des cristaux de thiosulfate de sodium (Na ₂ S ₂ O ₃.5H ₂ O), communément appelés hypo, se dissolvent dans l'eau, un effet de refroidissement se produit.

Moteurs de voiture

La combustion de l'essence ou du diesel dans les moteurs de voitures, de camions, de tracteurs ou d'autobus produit de l'énergie mécanique, qui est utilisée dans la circulation de ces véhicules.

Liquides bouillants

En mettant un liquide à chauffer, il gagne de l'énergie et passe à l'état gazeux.

Faire cuire un œuf

Lorsque la chaleur est appliquée, les protéines de l'œuf sont dénaturées, formant la structure solide qui est généralement ingérée.

Cuisson des aliments

En général, toujours lors de la cuisson à chaud pour modifier les propriétés des aliments, des réactions endothermiques se produisent.

Ces réactions sont à l'origine de l'adoucissement des aliments, de la création de masses malléables, de la libération des composants qu'ils contiennent, entre autres.

Chauffer les aliments au micro-ondes

En raison du rayonnement micro-ondes, les molécules d'eau présentes dans les aliments absorbent de l'énergie, commencent à vibrer et augmentent la température des aliments.

Moulage de verre

L'absorption de chaleur par le verre rend ses joints flexibles, ce qui facilite son changement de forme.

Consommation d'une bougie

La cire de bougie fond en absorbant la chaleur de la flamme, changeant sa forme.

Nettoyage à l'eau chaude

Lorsque vous utilisez de l'eau chaude pour nettoyer des objets tachés de graisse, tels que des casseroles ou des vêtements, la graisse devient plus liquide et est plus facile à éliminer.

Stérilisation à la chaleur des aliments et autres objets

Lors du chauffage d'objets ou d'aliments, les micro-organismes qu'ils contiennent augmentent également leur température.

Lorsqu'une grande quantité de chaleur est fournie, des réactions dans les cellules microbiennes se produisent. Beaucoup de ces réactions, telles que la rupture des liaisons ou la dénaturation des protéines, finissent par tuer les micro-organismes.

Combattre les infections par la fièvre

Lorsqu'une fièvre survient, c'est parce que le corps produit la chaleur nécessaire pour tuer les bactéries et les virus qui causent des infections et causent des maladies.

Si la chaleur générée est élevée et que la fièvre est élevée, les cellules du corps sont également touchées et il existe un risque de mort.

Évaporation de l'eau

Lorsque l'eau s'évapore et se transforme en vapeur, cela est dû à la chaleur qu'elle reçoit de l'environnement. Lorsque l'énergie thermique est reçue par chaque molécule d'eau, son énergie de vibration augmente au point où elle peut se déplacer librement, créant de la vapeur.

Références

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2. Wikipédia. (2018). Processus endothermique. Récupéré de: en.wikipedia.org
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5. Serm Murmson. (2019). Que se passe-t-il au niveau moléculaire lors d'une réaction endothermique? Hearst Seattle Media. Récupéré de: education.seattlepi.com
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   quimicas.net.