Application de la loi de Hess par calorimétrie : protocole de TP

Application de la loi de Hess par calorimétrie

1. But de l’expérience

Appliquer la loi de Hess pour déterminer la chaleur d’hydratation de l’acétate de sodium.
Illustrer avec un dispositif expérimental très simple une mesure calorimétrique avec un calorimètre quasi-adiabatique.

2. Introduction

Dans la présente expérience, nous allons appliquer la loi de Hess qui dit que la chaleur associée à une transformation qui est une combinaison de deux ou plus réactions élé­mentaires est égale à la somme des chaleurs associées aux réactions individuelles.

Par exemple, on connait les chaleurs associées aux réactions :

A –> B  (1)             et             B –> C   (2)

Alors, la chaleur associée à la réaction  A –> C (3) est simplement la somme des chaleurs des réactions (1) et (2).

De même, si l’on connait les chaleurs des réactions :

A –> B (4)               et             A –> C (5)

la chaleur de la réaction B –> C (6) est donnée par la chaleur de la réaction (5) moins la chaleur de la réaction (4).

La loi de Hess est souvent utilisée pour calculer  des chaleurs de réaction qui ne peuvent pas être mesurées directement.

Dans la présente expérience, on applique la loi de Hess pour déterminer la chaleur de la réac­tion d’ hydratation :

NaC₂H₃O₂ (s) + H₂O –> NaC₂H₃O₂.3H₂O (s)

à partir des chaleurs de dissolution de NaC₂H₃O₂ (s) et de NaC₂H₃O₂.3H₂O (s).

3. Partie expérimentale

Sécurité : le port des lunettes est obligatoire durant la manipulation.

Matériel :

Calorimètre quasi-adiabatique [dewar,(thermos, gobelet sagex) couvercle, thermomètre (10-50 °C)].

NaC₂H₃O₂ et NaC₂H₃O₂.3H₂O, cylindre gradué 100ml, bécher 100ml.

A. Détermination de la constante du calorimètre.

Mesurer environ 50 ml d’eau distillée à 0,1 ml près et mettre à chauffer dans un bécher de 100 ou 150 ml. Il ne faut pas faire bouillir l’eau, mais la chauffer au dessus de 90 °C.

Pendant que l’eau chauffe, mesurer environ 40 ml d’eau distillée et mettre dans le calorimètre. (N.B. le volume d’eau froide devrait être au moins de 5 ml inférieur au volume d’eau chaude.). Mesurer le plus précisément possible la température dans le calorimètre.

Lorsque l’eau chaude arrive presque à ébullition (au dessus de 90 °C), mesurer sa température et transférer rapidement toute l’eau chaude dans le calorimètre. Suivre la température du con­tenu du calorimètre et mesurer le plus précisement possible la température maximale atteinte.  Lorsque la température commence à descendre, vider et sécher le calorimètre et recommencer avec un deuxième échantillon d’eau chaude et froide.

B. Détermination des chaleurs de dissolution de l’acétate de sodium anhydre et de l’acétate de sodium hydraté.

Vérifier que le calorimètre soit bien sec. Mesurer précisément 50 à 60 ml d’eau distillée et ver­ser dans le calorimètre. Laisser reposer quelques minutes pour obtenir une température stable. Peser précisément environ 4g d’acétate de sodium anhydre dans un petit flacon ou sur un pa­pier.

Lorsque l’eau dans le calorimètre a atteint une température constante, mesurer celle-ci au dixième degré près (ou plus précis). Ajouter tout le sel dans l’eau en veillant à ce qu’il n’y ait pas de poudre aux parois au dessus du niveau d’eau. Couvrir le calorimètre et agiter doucement le calorimètre pour faciliter la dissolution. Suivre l’évolution de la température et déterminer la différence maximale de la température avant et après adjonction du sel. (N.B. cette différen­ce peut être positive ou négative.) La différence maximale de la température peut être atteinte après 5 minutes ou davantage.
Après la mesure, vider, rincer et sécher le calorimètre et répéter la procédure une fois.
Avec vos résultats, calculer la chaleur de dissolution de l’acétate de sodium anhydre.
Répéter la procédure en utilisant maintenant environ 6,6g d’acétate de sodium trihydraté.

Re­faire cette manipulation une seconde fois et calculer la chaleur de dissolution de l’acétate de sodium trihydraté et finalement la chaleur d’hydratation de l’acétate de sodium anhydre pour former l’acétate de sodium trihydraté.

4. Calculs

A. Détermination de la constante du calorimètre K

La masse de l’eau pour chaque échantillon est obtenue à partir du volume mesuré et de la den­sité à la température initiale. La chaleur perdue par l’eau chaude est gagnée par l’eau froide et le calorimètre :

-q_chaud = q_froid + q_calorimètre

ou bien             – (m c ΔT)_chaud = (m c ΔT)_froid + (K ΔT_cal) avec c = 4,184 [J/(g.deg)]

Note:                                    ΔT = T(final) – T(initial) peut être positif ou négatif.

B. Détermination de la chaleur de dissolution:

q_solide = -(q_eau + q_cal.) = – (m_eau c_eau ΔT_eau + KΔT_cal.)

La chaleur de dissolution ainsi obtenue est finalement convertie en chaleur molaire de disso­lution. Les chaleurs molaires ainsi obtenues sont combinées pour obtenir la chaleur molaire d’hydratation de l’acétate de sodium.

Application de la loi de Loi de Hess par calorimétrie

A) Détermination de la capacité calorifique du calorimètre K (à faire 2 fois)

B)  Détermination de la chaleur de dissolution de l’acétate de sodium anhydre et de l’acétate de sodium hydraté.

H. Hagemann, Dept. de Chimie Phyisque, Université de Genève

Ce qui s’est passé avec la classe avant, durant  et après :des éclairage dans le plan des Savoirs en classe.

• Une classe a brûlé du chocolat : quelle énergie !
• Qu’en pensent-ils ? L’avis des élèves et du maître de physique

Ce que ces données pourraient vouloir dire est discuté dans un petit article qui discute comment  la digestion détermine les calories effectivement absorbées : Un éclairage « Perspective sur les savoirs».

• Les calories mesurées sont-elles les calories qui font grossir ?

Le concept d’énergie  a des sens très différents pour les élèves dans le contexte de l’alimentation et de la physique notamment pour le feu. L’énergie des aliments et l’énergie du feu est-elle la même ? Un éclairage « Perspective sur les savoirs »

Les méthodes de mesure et le contexte théorique qui fonde la mesure sont décrits icidans un article du Dr. Hans Hagemann. Éclairage Savoirs en science

• Application de la loi de Hess par calorimétrie : protocole de TP

Les élèves sont repartis avec des données de température en fonction du temps qu’ils ont produites eux-mêmes : AuthenTIC.

• AuthenTIC : des données résultant de mesures effectuées avec Expériment@l
• Les données des mesures faites par Juan Carlos Fallas sont disponibles pour les membres Expériment@l ici.xlsx