Cours de Chimie Appliquée

DEPARTEMENT TECHNIQUE
Formation bachelier en emballage et conditionnement
3ème année.
Campus ULg – Sart Tilman
6, Allée du 6 août, 4000 LIEGE
Tél. : 04 / 366 52 49
Email : embal.charlemagn[email protected]
Website : www.isipack.be
Cours de Chimie Appliquée
2007-2008
Steve Gillet, D. Sc.
Email : [email protected]
Website : http://perso.latribu.com/shagar/steve

Chapitre 1 : Thermodynamique
chimique et électrochimie

Chapitre 1 : Thermodynamique chimique et électrochimie.
Gillet Steve, D.Sc. -1-
1.1. Bases de la thermodynamique
Qu'est-ce que la thermodynamique ?
Dans la vie de tous les jours, nous sommes familier au fait que l'énergie est
importante pour que certaines choses se réalisent, par exemple, l'énergie intervient
clairement lorsque des masses sont soulevées, lorsque de la chaleur, de la lumière, ou de
l'électricité sont produites. Plus encore, il apparaît évident qu'une quantité précise d'énergie
est requise pour atteindre certains objectifs particuliers, par exemple, il y a une quantité
minimum d'énergie qui sera suffisante pour clouer une pointe dans le mur, mais il n'y a pas
de risque que cette énergie fasse s'écrouler le mur au moment de l'impact. La disponibilité
d'énergie est, de la même façon, un critère critique pour le comportement des systèmes
moléculaires au niveau microscopique. Donc, la mesure dans laquelle un ensemble de
molécules, tel que celles comprises dans une cellule vivante, peuvent changer d'une certaine
façon, par exemple, via une réaction chimique, ou via un processus de transport qui
redistribue les molécules, dépend de l'énergie requise pour ce changement et de la
disponibilité de suffisamment d'énergie pour le rendre possible. Des considérations de ce
type mènent à des questions fondamentales qui peuvent se poser pour n'importe quel
système moléculaire :
- Le système est-il stable ?
- Sinon, quel réarrangement du système conduira à une stabilité accrue ?
- Combien de temps cela prendra-t-il pour atteindre un état plus stable ?
Pour répondre à ces questions, il est nécessaire de pouvoir déterminer la quantité
d'énergie disponible dans le système et la façon dont elle peut être utilisée ou redistribuée.
C'est le domaine de la thermodynamique, l'étude de l'énergie, sa distribution et la façon dont
elle est convertie d'une forme en une autre. La thermodynamique est primordiale à la
compréhension des changements qui peuvent avoir lieu dans un système, et elle peut être
utilisée pour répondre à quantité de questions fondamentales ayant trait à la biochimie,
comme :
- Les systèmes vivants sont-ils stables ?
- Quel est le coût énergétique des fonctions cellulaires ?
- Comment l'énergie peut-elle être emmagasinée et rendue disponible lorsque c'est
nécessaire ?
- Dans quelle mesure les cellules s'équilibrent-elles avec l'environnement ?
Comme nous le verrons ultérieurement, la quantité d'énergie disponible est
également critique dans la détermination de la vitesse à laquelle un changement a lieu et
donc, la thermodynamique est également importante pour répondre à des questions telles :

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- Dans quelle échelle de temps des réactions biochimiques ont-elles lieu ?
Etant donné l'importance de la thermodynamique, il est utile que nous fixions certains
points importants :
- La thermodynamique est basée sur des lois empiriques simples, provenant de
l'observation du monde réel. Nous n'avons pas besoin de connaissance spécifique
concernant la nature de la matière ou de l'univers pour utiliser ces lois, nous n'avons
pas même besoin de savoir que les atomes ou les molécules existent. Nous utilisons
la thermodynamique parce qu'elle marche, pas parce que c'est une théorie élégante.
- Comme les lois de la thermodynamique ne sont pas basées sur un quelconque
modèle physique spécifique, elle peuvent être appliquées à une très grande variété
de problèmes, de l'ingénierie mécanique (performance des machines, réfrigérateurs,
etc.) aux systèmes biologiques de grande échelle (efficacité de l'action musculaire)
en passant par les réactions chimiques et la stabilité des systèmes moléculaires.
- Si nous voulons relier des paramètres thermodynamiques à un système, nous avons
besoin d'un modèle physique. Si nous n'obtenons pas, alors, de bons résultats dans
la prédiction du comportement ce notre système, c'est que le modèle que nous avons
choisi est faux.
Définitions de base
Les concepts thermodynamiques dépendent fondamentalement de la distinction entre
un système et son environnement.
Un système consiste en de la matière. Une description complète d'un système
nécessite de définir la composition, aussi bien que la pression, le volume et la température.
C'est, en gros, la partie de l'univers au sein de laquelle s'effectue la transformation étudiée
(par exemple, le contenu d'un ballon pendant une réaction chimique). Il y a trois types
différents de systèmes :
- Isolé : ne peut échanger ni de matière, ni d'énergie.
- Fermé : ne peut échanger que de l'énergie, mais pas de matière.
- Ouvert : peut échanger de l'énergie et de la matière.
Les réactions chimiques se déroulant dans une cellule ou dans un laboratoire,
peuvent souvent être considérées comme ayant lieu dans un système fermé. Les processus
incluant un transfert à travers des membranes doivent habituellement être traités comme
ayant lieu en système ouvert. Toutefois, dans un premier temps, nous n'étudierons que les
systèmes fermés et isolés, puisque ce sont les plus simples à aborder au niveau de leur
analyse.

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L'environnement consiste en tout ce qui est en contact avec le système et qui peut
influencer son état. Dans un système fermé, l'énergie peut être échangée avec
l'environnement, alors que dans un système ouvert, énergie et matière peuvent être
échangées avec l'environnement. Un système ouvert, plus son environnement constituent un
système isolé.
Toute propriété d'un système qui dépend seulement de son état actuel, et non de la
façon dont il y est arrivé, est appelé fonction d'état. Il y a deux sortes de fonction d'état
différentes :
- Les fonctions d'état intensives : ne dépendent pas de la taille du système (ex. :
pression, température, densité, etc.)
- Les fonctions d'état extensives : dépendent de la taille du système (ex. : masse,
volume, etc.)
Si la taille d'un système est doublée, la valeur d'une fonction d'état intensive reste la
même, alors que celle d'une fonction d'état extensive, double. La plupart des fonctions
thermodynamiques sont des fonctions d'état extensives.
Lorsque l'on parle de changements de fonctions d'état, nous utiliserons ∆ pour
représenter une variation importante et mesurable, et δ pour représenter une très petite
variation. Donc, ∆T représentera une importante variation de température et δT, une très
petite variation de température. Comme les températures des états initial et final d'un
système ne dépendent pas du chemin emprunté pour passer de l'un à l'autre, la variation de
température doit être ∆T = Tfinal – Tinitial.
Ce type d'équation (final – initial) s'applique à toutes les autres fonctions d'état.
Établissement de la première loi de la thermodynamique
La première loi de la thermodynamique est la loi de conservation de l'énergie.
Première loi : La somme algébrique de toutes les variations d'énergie dans un système
isolé est 0.
Donc l'énergie peut être déplacée d'une place à une autre, comme dans un flux de
chaleur, ou elle peut changer de forme, comme la conversion d'énergie chimique en énergie
électrique dans les piles, mais elle ne peut être ni crée, ni détruite.
Il est utile de définir une quantité appelée "énergie interne", U. C'est l'énergie totale
d'un système, quelle que soit sa forme. Si l'énergie est convertie d'une forme à une autre,
comme, par exemple, l'énergie chimique en énergie électrique, l'énergie interne reste
inchangée. Dans un système isolé, qui ne peut acquérir ou céder de l'énergie à