Série d`exercices n°1 : Applications du premier principe aux

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PSI 2013-2014 Lycée Jean Dautet
Série d’exercices n°1 :
Applications du premier principe aux transformations
chimiques et physiques
Exercice n° 1 : état standard de référence et réac tions standard
de formation
1) Quel est l’état standard de référence de l’oxygène, du chlore, de l’hydrogène, de
l’azote, du brome, de l’iode, du carbone et de l’aluminium à 25°C ?
2) Parmi les réactions suivantes, quelles sont celles qui correspondent à des
réactions standard de formation à 298,15 K ?
a. C
(diamant)
+ O
2(g)
= CO
2(g)
b. C
(graphite)
+ O
2(g)
= CO
2(g)
c. 2 Ca
(s)
+ O
2(g)
= 2 CaO
(s)
d. ½ H
2(g)
+ ½ Cl
2(g)
= HCl
(g)
e. C
(graphite)
+ O
2(g)
= CO
2(l)
f. C
(graphite)
+ 2/3 O
3(g)
= CO
2(g)
g. Hg
(s)
+ ½ O
2(g)
= HgO
(s)
h. ½ H
2(g)
+ ½ Cl
2(g)
= HCl
(g)
Oui 
Oui 
Oui 
Oui 
Oui 
Oui 
Oui 
Oui 
Non 
Non 
Non 
Non 
Non 
Non 
Non 
Non 
Parce que …

2
Exercice n° 2 :
autour du ciment
de réaction
Le ciment Portland (catégorie la plus utilisée) est élaboré par réaction, dans un four
chauffé à 1700 K, d'un mélange de calcaire (CaCO
Al
2
O
3
). Le constituant principal de ce ciment non hydraté est le silicate de calcium
Ca
3
SiO
5
formé selon la réaction totale (1) :
3 CaCO
3(s)
+ SiO
1)
Combien le système comporte
2)
Calculer, à l’aide des données rassemblées dans le tableau ci
standard à 298 K. La réaction est
Données :
•Enthalpies standard de formation
Corps
f
H° / kJ.mol
Exercice n° 3 :
chauffage au fuel
Une maison de taille moyenne chauffe son eau au fuel pendant les mois d’hiver. La
capacité de la cuve à fuel est 4 m
L’enthalpie massique de combustion du fuel est
contient principalement des hydrocarbures saturés lourds de densité 0,73.
1)
Combien de temps ce fourneau peut
2) Quelle es
t la quantité de CO
Exercice n° 4 :
avant les oraux ou à la fin de l’année…
Aux Minimes, un élève de prépa, apprenant son admissibilité aux concours, saute tout
habillé dans l’eau (exutoire
température corporelle est de 37,2°. Un vent frais venant de l’île de Ré souffle pour le
sécher.
Quelle est la quantité, en gramme, de glucose C
corps de l’étud
iant pour compenser la perte d’énergie par chaleur (transfert thermique)
qu’il doit supporter ?
autour du ciment
– calcul d’
une enthalpie standard
Le ciment Portland (catégorie la plus utilisée) est élaboré par réaction, dans un four
chauffé à 1700 K, d'un mélange de calcaire (CaCO
3
) et d'argil
e (constitué de SiO
). Le constituant principal de ce ciment non hydraté est le silicate de calcium
formé selon la réaction totale (1) :
+ SiO
2(s)
= Ca
3
SiO
5(s)
+ 3 CO
2(g)
Combien le système comporte
-t-il de phases ?
Calculer, à l’aide des données rassemblées dans le tableau ci
-
dessous l’enthalpie
standard à 298 K. La réaction est
-
elle endothermique ou bien exothermique
•Enthalpies standard de formation
∆
f
H° à 298 K :
CaCO
3(s)
SiO
2(s)
Ca
3
SiO
5(s)
CO
2(g)
H° / kJ.mol
-1
- 1 206 - 910 - 2 930 - 393
chauffage au fuel
– transfert
thermique
Une maison de taille moyenne chauffe son eau au fuel pendant les mois d’hiver. La
capacité de la cuve à fuel est 4 m
3
, pour une puissance de
chauffage de 116 kW.
L’enthalpie massique de combustion du fuel est
∆
r
H°
massique
= -
43 MJ.kg
contient principalement des hydrocarbures saturés lourds de densité 0,73.
Combien de temps ce fourneau peut
-il fonctionner en continu ?
t la quantité de CO
2
libérée par heure pendant la marche du fourneau
avant les oraux ou à la fin de l’année…
Aux Minimes, un élève de prépa, apprenant son admissibilité aux concours, saute tout
?) ! ?
Quoiqu’il en soit, en sortant, il pèse un kg de plus. Sa
température corporelle est de 37,2°. Un vent frais venant de l’île de Ré souffle pour le
Quelle est la quantité, en gramme, de glucose C
6
H
12
O
6
qui doit être consommée par le
iant pour compenser la perte d’énergie par chaleur (transfert thermique)
une enthalpie standard
Le ciment Portland (catégorie la plus utilisée) est élaboré par réaction, dans un four
e (constitué de SiO
2
et
). Le constituant principal de ce ciment non hydraté est le silicate de calcium
(1)
dessous l’enthalpie
elle endothermique ou bien exothermique
?
thermique
Une maison de taille moyenne chauffe son eau au fuel pendant les mois d’hiver. La
chauffage de 116 kW.
43 MJ.kg
-1
. Le fuel
contient principalement des hydrocarbures saturés lourds de densité 0,73.
libérée par heure pendant la marche du fourneau
?
avant les oraux ou à la fin de l’année…
Aux Minimes, un élève de prépa, apprenant son admissibilité aux concours, saute tout
Quoiqu’il en soit, en sortant, il pèse un kg de plus. Sa
température corporelle est de 37,2°. Un vent frais venant de l’île de Ré souffle pour le
qui doit être consommée par le
iant pour compenser la perte d’énergie par chaleur (transfert thermique)

3
Données :
A 37,2°C : ∆
vap
H°(H
2
O(l)) = 44 kJ.mol
Exercice n° 5 :
durée d’immersion d’une baleine
La myoglobine est une protéine de stockage de l’oxygène selon la réaction
Sa masse molaire est 17 kg.mol
Les
baleines obtiennent l’oxygène nécessaire en respirant l’air extérieur. Le dioxygène
est nécessaire à la production de l’énergie vitale obtenue grâce à la combustion
gazeux et H
2
O liquide)
d’acides gras
approchée est (CH
2
)
n
.
Combien de t
emps une baleine peut
muscle.
Données :
20 % de la masse musculaire de la baleine est composée de myoglobine.
La baleine dissipe 0,5 W par kg pour maintenir sa température constante et pour se
mouvoir.
∆
f
H°(kJ.mol
-1
) :
CO
Exercice n° 6 :
enthalpie standard de formation de l’oxyde de
sodium
à partir de transfert thermique
L’oxyde de sodium a pour formule Na
La dissolution à 298 K de 10 g de sodium dans un excès d’eau
20 g d’oxyde de sodium Na
2
O dégage 77,6 kJ.
Calculer l’enthalpie standard de formation de l’oxyde de sodium solide à 298 K.
Données :
 ∆
f
H°(H
2
O,l) = -
285,2 kJ.mol
 masses molaires en g.mol
-
1
O(l)) = 44 kJ.mol
-1
; ∆
comb
H°(glucose) = - 2,8 M
J.mol
durée d’immersion d’une baleine
La myoglobine est une protéine de stockage de l’oxygène selon la réaction
Mb + O
2
= MbO
2
Sa masse molaire est 17 kg.mol
-1
.
baleines obtiennent l’oxygène nécessaire en respirant l’air extérieur. Le dioxygène
est nécessaire à la production de l’énergie vitale obtenue grâce à la combustion
d’acides gras
à longue chaîne carbonée dont la formule
emps une baleine peut
-elle restée sous l’eau ?
On raisonnera sur un kg de
20 % de la masse musculaire de la baleine est composée de myoglobine.
La baleine dissipe 0,5 W par kg pour maintenir sa température constante et pour se
CO
2
(g) : - 393 H
2
O(l) : - 286 (CH
2
)
enthalpie standard de formation de l’oxyde de
à partir de transfert thermique
L’oxyde de sodium a pour formule Na
2
O. C’est un solide ionique.
La dissolution à 298 K de 10 g de sodium dans un excès d’eau
dégage 80,4 kJ et celle de
O dégage 77,6 kJ.
Calculer l’enthalpie standard de formation de l’oxyde de sodium solide à 298 K.
285,2 kJ.mol
-1
1
: H : 1 O : 16 Na : 23
J.mol
-1
La myoglobine est une protéine de stockage de l’oxygène selon la réaction
:
baleines obtiennent l’oxygène nécessaire en respirant l’air extérieur. Le dioxygène
est nécessaire à la production de l’énergie vitale obtenue grâce à la combustion
(en CO
2
à longue chaîne carbonée dont la formule
On raisonnera sur un kg de
20 % de la masse musculaire de la baleine est composée de myoglobine.
La baleine dissipe 0,5 W par kg pour maintenir sa température constante et pour se
)
n
: - 31n
enthalpie standard de formation de l’oxyde de
dégage 80,4 kJ et celle de
Calculer l’enthalpie standard de formation de l’oxyde de sodium solide à 298 K.

4
Exercice n° 7 : enthalpie standard de formation de l’acide
éthanoïque liquide ; utilisation des enthalpies standard de liaison
1) Ecrire l’équation-bilan de la réaction standard de formation de l’acide éthanoïque
liquide CH
3
COOH
(l)
à 298 K.
2) Calculer la valeur de l’enthalpie standard de formation de l’acide éthanoïque
liquide à 298 K en utilisant, en particulier, les données relatives aux énergies de
liaison.
3) Comparer cette valeur à celle trouvée dans les tables. La différence est la
conséquence de la stabilisation particulière de l’acide éthanoïque par mésomérie.
Proposer une ou deux formes mésomères de l’acide éthanoïque.
Données à 298 K :
L’énergie de liaison A-B est l’enthalpie standard de réaction associée à la réaction de
dissociation en phase gazeuse :
AB
(g)
= A
(g)
+ B
(g)
Energie de liaison à 298 K :
Liaison C-C C-H C-O O-H C=O H-H O=O
Energie de liaison
en kJ.mol
-1
345 414 356 458 799 436 498
Enthalpie standard de vaporisation de l’acide éthanoïque à 298 K : ∆
vap
H° = 23,7 kJ.mol
-1
Enthalpie standard de sublimation du carbone graphite à 298 K : ∆
sub
H° = 716 kJ.mol
-1
CH
3
COOH
(l)
∆
f
H° / kJ.mol
-1
- 484,5
Exercice n° 8 : synthèse du trioxyde de soufre – c alcul d’une
température de flamme.
Une étape importante de la synthèse industrielle de l’acide sulfurique est l’oxydation du
dioxyde de soufre en trioxyde de soufre par l’oxygène de l’air. Cette réaction se fait vers
T = 700 K sous une pression de 1 bar.
1) Ecrire la réaction rapportée à une mole de dioxygène.
2) Calculer à T= 298 K. l’enthalpie standard de réaction ∆
r
H
°
(298).

5
L’approximation d’Ellingham consiste à considérer que l’enthalpie standard de réaction
ne dépend pas de la température : ∆
r
H
°
(700) = ∆
r
H
°
(298).
On part de 10 moles de SO
2
, 10 moles de O
2
et 40 moles de N
2
à T=700 K ; on obtient à
l’équilibre 9 moles de SO
3
.
3) Donner l’avancement de la réaction et la composition du système à l’équilibre.
4) En supposant que la réaction se déroule dans un réacteur adiabatique, et que la
pression reste toujours égale à 1 bar, déterminer la température finale du
système.
Données :
Cp° : capacité thermique molaire standard
∆
f
H° : enthalpie standard de formation à 298 K :
SO
2
, g O
2
, g SO
3
, g N
2
, g
∆
f
H°(298K) /kJ.mol
-1
- 297 0 - 396
Cp° /J.K
-1
.mol
-1
39,9 29,4 50,7 29,1
Exercice n° 9 : calcul d’une énergie réticulaire
Etablir un cycle thermodynamique de Born-Haber permettant le calcul de l'énergie
réticulaire du fluorure de calcium CaF
2(s)
à partir des données expérimentales (à 25°C)
suivantes :
Enthalpie standard de formation de CaF
2(s)
: ∆
f
H°
1
= - 1 220 kJ.mol
-1
Enthalpie standard de sublimation de Ca : ∆
sub
H°(Ca)= 193 kJ.mol
-1
Enthalpie standard de liaison FF
(g)
: ∆
f
H°
3
= 158 kJ.mol
-1
Enthalpie standard de première ionisation associée à Ca
(g)
= Ca
+(g)
+ e
-
EI1(Ca) = ∆
ion
H°(Ca) = 590 kJ.mol
-1
Enthalpie standard de seconde ionisation associée à Ca
+ (g)
= Ca
2+(g)
+ e
-
EI2(Ca) = ∆
ion
H°(Ca
+
) = 1 140 kJ.mol
-1
Affinité électronique associée à F
- (g)
= F
(g)
+ e
-
Eae(F) = 328 kJ.mol
-1