Energie chimique associée aux transformations chimiques

Energie chimique associée aux
transformations chimiques -Avancement et
bilan de matière
Quantité de matière et mole
Définition : Nouvelle grandeur chimique notée n exprimée en mol permettant d’exprimer quantitativement la
matière contenue dans un échantillon.
N= n.NA
N: nombre d’entités - n: quantité de matière en (mol) - NA : constante d’Avogadro en mol-1 (NA =6,02.10 23 mol-1 )
Exemple :
3,0 mol de fer correspondent à : N= n.NA = 3,0 x 6,02.10 23 =18,0.1023atomes de fer.
Masse molaire
La masse molaire atomique d’un élément est la masse d’une mole d’atomes de cet élément à l’état naturel (on tient
compte des isotopes et de leur abondance relative)
Elle est notée M et s’exprime en g/mol.
Elles sont indiquées dans la classification périodique des éléments.
Rq : deux atomes ayant le même numéro atomique Z (nombre de protons) et un nombre de masse A (nombre de
nucléons) différent sont des isotopes.
Exemple :
A l’état naturel, le chlore contient 75,77% de l’isotope 35 et 24,23% de l’isotope 37 : M( Cl)= 35,5g/mol
Masse molaire moléculaire :
C’est la masse d’une mole de la molécule considérée. Elle est égale à la somme des masses molaires atomiques de
chacun des atomes qui composent la molécule.
Exemple :
M(H20) = 2M(H) + M(O)
= 2x1,0 + 1x 16,0
M(H20) = 18 g/mol.
Remarque:
M(SO42-) = M(S) + 4M (O)
La masse molaire ionique se calcule comme la masse molaire moléculaire.

Différentes expressions de la quantité de matière :
Quantité de matière et masse
La quantité de matière n d’un échantillon de masse m d’entités chimiques de masse molaire M s’exprime par:
n = m/M
Exemple :
On souhaite calculer la quantité de matière n de vitamine c contenue dans un comprimé contenant 60,0mg de
vitamine C de formule C6H8O6.
M(C6H8O6) = 176,0 g/mol
n= m/M = 60,0.10-3 / 176,0
n= 3,4.10-4mol
Quantité de matière et volume
Pour les composés liquides de masse volumique ρ=m/V, on accède à la quantité de matière n à partir du volume de
l’échantillon par:
n = (ρxV)/ M = m/M
n = (dxρréf .V)/ M
ρ réf : masse volumique de référence, l’eau pour les solide et les liquides.
Exemple :
Déterminer la quantité de matière contenue dans V=10cm3 d’acétone liquide de formule C3H6O M= 58,0g/mol.
n= (ρxV)/ M
= 0,79x10/58,0 = 1,4.10-1 mol
Quantité de matière et volume d’un gaz
Notion de volume molaire d’un gaz (loi d’Avogadro Ampère) :
A T° et P° donnée, le volume occupé par une mole de gaz est indépendant de la nature du gaz. Ce volume est appelé
volume molaire noté Vm. Il s’exprime en L.mol-1.
À T=20°c et P=1013hPa, Vm=24,0 L.mol-1.
La quantité de matière d’un échantillon de gaz de volume V est donnée par:
n= V/Vm.
Exemple :
Déterminons la quantité de matière contenue dans un volume V=1,00L de vapeur d’eau à 500°C sous la pression
P=1,013.105Pa dans ces conditions Vm =63,4 L.mol-1.
n= V/Vm = 1,00/63,4 = 1,58.10-2mol.

Centre hospitalier Alès-Cévennes -Démarche Haute Qualité Environnementale (HQE)
Le Centre Hospitalier d’Alès, inauguré en 2011, est le premier hôpital français de Haute Qualité Environnementale (HQE).
La démarche HQE dresse une liste de 14 critères environnementaux à atteindre afin de minimiser durablement les impacts
écologiques de construction et d’utilisation d’un bâtiment.
Cette démarche HQE implique la maitrise des besoins énergétiques et le recours aux énergies renouvelables. Avec ses
installations solaires thermique et photovoltaïque, une chaufferie bois et un réseau de chaleur, le Pôle Energie dispose
d’équipements qui lui permettent de répondre à ces exigences.
1. L’utilisation du bois comme source d’énergie
L’hôpital utilise une chaufferie automatique au bois déchiqueté dont l’approvisionnement est assuré par une filière locale.
Cette installation couvre 80 % des besoins énergétiques en chauffage et eau chaude sanitaire.
On se propose ici d’évaluer la quantité de dioxyde de carbone produite par cette chaufferie et de justifier le choix de cette
technologie.
Données :
Besoin énergétique annuel assuré par la chaufferie bois : 6500 MWh
Conversion d’unité d’énergie 1 Wh = 3 600 J
Multiple d’une unité : le préfixe Méga (symbole M) est égal à 106 fois l’unité utilisée.
Masse molaire atomique : M(C) = 12,0 g.mol-1 ; M(O) = 16,0 g.mol-1 ; M(H) = 1,0 g.mol-1
1.1 Quantité de combustible bois consommée annuellement
Le pouvoir calorifique inférieur du bois PC varie fortement avec son taux d’humidité H. La caractéristique PC = f(H) est
donnée ci-dessous :
a) Le bois utilisé à un taux d’humidité moyen de 25%. Déterminer graphiquement la valeur du pouvoir calorifique PC de ce
combustible.
b) Calculer la masse de combustible bois nécessaire pour répondre aux besoins énergétiques de 6500 MWh par an.
On peut considérer que le bois est essentiellement constitué d’une unique molécule, appelée cellulose, de
formule brute C6H10O5.
c) Montrer à partir du résultat précédent que la chaufferie consomme annuellement 11 Mmol de cellulose.
1.2 Volume de CO2 produit annuellement par la chaufferie bois.
a) Ecrire l’équation de combustion complète de la cellulose dans le dioxygène
b) En utilisant l’équation chimique précédente et la quantité de cellulose calculée à la question 1.1.c, montrer que la
chaufferie de l’hôpital produit 2,9.103 tonnes de dioxyde de carbone.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
010 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Pouvoir calorifique inférieur
du bois
Taux d'humidité ( en %)
Pouvoir calorifique inférieur du bois (en Wh.kg-1)
Bois sec à
l’air
Bois vert

1.3 Bilan carbone
A partir du schéma ci-contre et du principe de conservation de la
matière, justifier que, malgré la quantité de CO2 rejeté pendant
la combustion, le bilan carbone du combustible bois peut être
considéré comme neutre.
1.4 Chaudière à condensation
La condensation d’un litre de vapeur d’eau libère une
énergie, nommée chaleur latente de changement d’état,
égale à Lcond = 2,26 MJ.kg-1. Dans une chaudière à
condensation, la vapeur d’eau présente dans les gaz de
combustion est récupérée et non évacuée par les conduits de
fumés. La vapeur d’eau est alors utilisée pour chauffer l’eau de
retour (plus froide) des émetteurs arrivant dans la chaudière.
Elle évite ainsi à la chaudière ce travail de réchauffement. La
vapeur d’eau qui a transmis sa chaleur se refroidit et se
condense ; elle est ensuite évacuée via le circuit des eaux usés.
a) Pourquoi les pertes d’énergie dans les gaz de combustion sont-
elles plus importantes dans les chaudières classiques que dans
les chaudières à condensation ?
b) En utilisant l’équation bilan de la combustion de la cellulose,
calculer la masse d’eau produit par kg de cellulose brûlé.
c) En déduire l’énergie récupérée par une chaudière à
condensation par kg de bois.
d) Quel est alors le Pouvoir Calorifique Supérieur du bois ?
e) En utilisant les résultats de la questions 11b, calculer l’énergie économisée en un an par l’hôpital d’Ales qui a choisi une
chaudière à condensation plutôt qu’une chaudière classique.
A-2 Etude du site photovoltaïque de l’hôpital HQE
Le pôle énergie de l’hôpital dispose d’une installation constituée de 42 modules photovoltaïques raccordée au réseau local
de distribution d’électricité.
2-1 Etude électrique d’un module photovoltaïque dans des
conditions d’éclairement standard
a) Chaque module est constitué de 54 cellules élémentaires
connectées en série.
Sachant que la tension théorique aux bornes d'une cellule
élémentaire est de 0,498 V, en déduire la tension Upm aux bornes
d’un module.
b) Le courant de sortie d’un module est de 7,80 A. En déduire la
puissance électrique P fournie par un module.
2.2 Energie fournie par l’installation photovoltaïque dans des
conditions standard
a) Chaque module délivre en moyenne une puissance de
210W. Déterminer la puissance totale fournie par le site
photovoltaïque.
b) La ville d’Ales dispose en moyenne de 1400 heures
d’équivalent plein soleil par an. En déduire, en utilisant le
résultat précédent, que l’énergie maximale Emax en
kWh pouvant être produite dans les conditions standard
en un an vaut 12,3 MWh.
I
Module photovoltaïque
Upm
+
Cellule élémentaire
+
+
+