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Département de chimie d'industrielle. «EXERCICES ET PROBLEMES. CORRIGES DE THERMODYNAMIQUE. CHIMIQUE». 1 eres années universitaires sciences et techniques.
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Exercices et problèmes corrigés de thermodynamique chimique 14 Exercice I A 4 L’air ordinaire est un mélange gazeux qui contient des impuretés variables selon le lieu de prélèvement On peut ainsi citer comme constituants toujours présents : N2 (78 ) ; O2(21 ) ; Ar (094 ) ; CO2 (003 ) ; H2 (001 ) Ne (00012 ) et He (00004 )
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Exercice d’application Détente d’un gaz parfait 68 Exercices 70 Solutions 74 Chapitre4 Lafonctionenthalpie 84 4 1 Casdessystèmesfermés 84 4 1 1 La fonction enthalpie 84 4 1 2 Les cas classiques 85 Exercice d’application Calcul de la variation d’enthalpie d’un système 86 4 2 Introduction aux systèmes ouverts 87 4 2 1 Cas
Quel est le premier principe de la thermodynamique ?
Le premier principe de la thermodynamique, encore appelé principe de conser- vation de l'énergie peut s'exprimer de plusieurs façons. En effet toutes ses formu- lations, faites selon le système et la transformation considérés, sont équivalentes et sont liées au caractère conservatif de l'énergie.
Qu'est-ce que la thermodynamique ?
La thermodynamique est donc fondamentalement la science des transformations de l'énergie. Elle étudie les caractéristiques énergétiques relatives à la transfor- mation de la matière qu'elle soit physique (production de travail ou de chaleur, changement d'état physique, ...) ou chimique (réactions chimiques).
Comment calculer l'équilibre thermodyna Mique ?
On place a moles de HZ 0, b moles de CO et c moles de Hz dans un réacteur de 10 L. a - Exprimer la composition du mélange (en %) à l'équilibre thermodyna- mique en fonction du nombre de moles x de COz formé.
Quel est l'objet de la thermodynamique ?
Les interactions entre ces différents phénomènes mettant en jeu des échanges ou des transformations d'énergie ainsi que l'étude des systèmes qui en sont le siège constituent l'objet de la thermodynamique. La thermodynamique est donc fondamentalement la science des transformations de l'énergie.
Université AbouBakr Belkaid t Tlemcen t
Faculté de Technologie,
Département de Génie Electrique et ElectroniqueFilière Génie Industriel Productique
Présenté par
Dr. ZENASNI Mohamed Amine
Dr. MEROUFEL Bahia
2019/2020
Thermodynamique et chimie des solutions
Cours et Exercices Corrigés
Table des matières
Thermodynamique et chimie des solutions : Cours et Exercices Corrigés République Algérienne Démocratique et PopulaireUniversité AbouBakr Belkaid Tlemcen
Faculté de Technologie
Département de GEE
Filière Génie Industriel Productique
Table des Matières
Avant-propos
Chapitre 1 : Thermodynamique
1. Introduction
2. Définition
3. Système thermodynamique
3.1. Définition
3.2. Variables d'état
3.3. Différents types de transformation
4. Gaz parfaits
4.1. Hypothèse du gaz parfait (théorie cinétique)
4.3. Relations particulières entre les t
4.4. Diagramme de Clapeyron
5. Notions de chaleur et de travail
5.1. Notion de chaleur (Q)
5.1.1. Capacités calorifiques
5.1.2. Changement de
5.1.3. Transfert de Chaleur entre 2 corps
5.2. Notion de travail (W)
6. Principe zéro de la thermodynamique
7. Premier principe de la thermodynamique (Energie interne et enthalpie)
7.1. Energie Interne U
01 02 02 02 03 03 03 04 05 05 05 06 06 07 07 08 08 09 09 10 10 10Table des matières
Thermodynamique et chimie des solutions : Cours et Exercices Corrigés7.2. Enthalpie H
7.2.1. Relation entre GU, QV, GH et QP .
7.2.2. Loi de Kirchhoff
7.2.3. Loi de Hess
8. Deuxième principe de la thermodynamique
8.1. Enoncé
8.3. température
9. Troisième principe de la thermodynamique
10. Enthalpie et énergie libres
10.1. Energie libre F
10.2. Enthalpie libre G
10.3. Enthalpie libre et équilibre chimique
11. Exercices et solutions
Chapitre 2 : Equilibre Chimique : Solubilité / Précipitation1. Introduction
2. Électrolytes et non-électrolytes
3. Solubilité
3.1. Soluble ou insoluble
3.2. Solutions saturées
3.3. Produit de solubilité Ks
3.4. Règles de solubilité
3.5. Relation entre Ks et la solubilté
3.6. Influence de différents paramètres sur la solubilité
3.6.1. Influence de la température et de la pression
3.6.2. Effet d'ions commun
3.6.3. Influence du pH
4. Exercices et solutions
1. Introduction
2. Définition
11 12 12 12 13 13 14 15 15 16 16 16 16 18 18 2424
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Table des matières
Thermodynamique et chimie des solutions : Cours et Exercices Corrigés3.1.1. Règles de calcul du n
3.1.2. Reconnaître un réducteur et un oxydant à partir de la classification périodique des
éléments
3.2. Couple doxydoréduction
4. Piles électrochimiques et potentiel rédox.
4.1. ...
4.1.1. Pile Daniell
4.2.1. Loi de Nernst
4.2.3. Potentiels standards
4.2.4.Types délectrodes
4.2.4.1. Electrodes indicatrices métallique et à gaz
4.2.4.2. Electrodes de référence au Calomel
4.2.4.3. Electrodes de sulfate de mercure
4.2.4.4. Electr
5. Exercices et solutions
Chapitre 4 : Equilibre Chimique acido-basique
1. Introduction
2. Couple acide/base
2.2. Définition des acides selon Lewis
2.3. Nomenclature des acides et des bases
2.4. Couple acide/base conjugués
3. Réaction acido-basique
5.1. Potentiel hydrogène (pH)
5.2. Mesure du pH
r coloré : 3637
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Table des matières
Thermodynamique et chimie des solutions : Cours et Exercices Corrigés : évaluation du pH -mètre, mesure et5.3. Acide fort
5.4. Base forte
5.5. Acide faible
5.6. Base faible
5.7.5.8. Mélange d'acides - mélange de bases
5.9. Mélange d'un acide faible et d'une base faible
5.10. Solution ampholyte
6. Dosage acido-basique.......
par une base.7. Solution Tampon
7.1. Définition...
7.2. Préparation des solutions tampons
7.3. Équation de Henderson-Hasselbalch
8. Exercices et solutions
Chapitre 5 : Cinétique Chimique
1. Introduction
2. Définition
3. Intérêt de la cinétique chimique
4. Vitesse de la réaction chimique
4.1. Facteurs déterminants
5. Loi de vitesse de réaction chimique
6. Ordre de la réaction
6.2. Influence de l'ordre partiel sur l'évolution de la concentration dans le cas d'un réactif
unique6.3Į
6.4. Si la réaction est d'ordre un (Į
6.5. Si la réaction est d'ordre deux (Į
6.6. ......................................................................
7. Influence de la température sur les vitesses de réaction
5657
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Table des matières
Thermodynamique et chimie des solutions : Cours et Exercices Corrigés7.1. Théorie des collisions
7.2. 7.3.8. Catalyse
8.1. Catalyse homogène
8.2. Catalyse hétérogène
8.3. Catalyse enzymatique
9. Exercices et solutions
Référence
8181
83
83
84
84
85
86
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Avant-propos
Thermodynamique et chimie des solutions : Cours et Exercices Corrigés Page 1Avant-propos
Sciences de la nature et de vie (Biologie), Pharmacie, Médecine, chimie... etc. cinétique chimique. Le premier chapitre traite les trois (03) principes de la thermodynamique et leurs Le deuxième chapitre traite les équilibres de dissociations de composés peu solubles et la précipitation. Le quatrième chapitre traite les équilibres acido-basiques dans le coté des réactions acide-base, le pH, dosage et connaitre des solutions tampons. et global de la réaction chimique. exemples et illustrations pour mieux comprendre les phénomènes chimiques. Une liste de connaissances des différents aspects de la chimie des solutions.Chapitre 1 : Thermodynamique Chimie 2 en Génie Industriel
Cours et travaux dirigés Thermodynamique et chimie des solutions Page 2Chapitre 1
Thermodynamique
1. Introduction
Chaque théorie, chaque partie de la science que les étudiants découvrent à l'Université
a son histoire. Celle-ci est souvent compliquée, semée d'embûches : la science ne se construit
pas de manière " linéaire » et certaines intuitions la font progresser, tout en semblant a
posteriori bien étranges. Progressivement se construit la forme la plus achevée qui est aussi en
général la plus abordable, la plus facile à enseigner, car les idées y sont présentées dans l'ordre
le plus logique. Connaître l'histoire de cette science, ses versions antérieures, relève plutôt de
l'histoire des sciences, discipline malheureusement trop peu enseignée à l'Université. L'histoire de la thermodynamique classique tente de retracer l'origine et l'évolution des idées, des méthodes, des hommes et des connaissances de la thermodynamique, discipline Dans un premier temps, la thermodynamique ne s'intéresse qu'aux phénomènesthermiques (chaleur, température) liés à des propriétés macroscopiques des systèmes étudiés,
ainsi qu'à l'explication des machines à vapeur. Il s'agit de la " thermodynamique classique »
dont plusieurs " principes » sont ainsi établis. Les propriétés physiques microscopiques de la
matière étant par la suite mieux connues, la discipline étend son étude à des
considérations statistiques permettant une meilleure explication des principes ; d'où le nom de
" thermodynamique statistique ». Le chapitre ci-présent ne s'intéresse qu'à la première
acception de la thermodynamique.2. Définition
La thermodynamique (du grec Thermos = chaud et dunamis = puissance) a pour objetChapitre 1 : Thermodynamique Chimie 2 en Génie Industriel
Cours et travaux dirigés Thermodynamique et chimie des solutions Page 3toute interprétation microscopique c à d de toute hypothèse ou model concernant la structure
de la matière; dans ce cas on parle de la thermodynamique statistique.3. Système thermodynamique
3.1. Définition
On définit un système en thermodynamique une zone qui effectue ou non deséchanges avec le milieu extérieure.
Figure 1.1. Système en thermodynamique
convention positif (+).3.2. Variables d'état
Différentes grandeurs (ou variables) physiques sont utilisées en thermodynamique. Il est primordial de bien les comprendre et de pouvoir les classer dans différentes catégories pour ensuite les utiliser. Tout d'abord, il faut distinguer les grandeurs extensives et intensives : Une grandeur extensive est une grandeur proportionnelle à la quantité de matière.Chapitre 1 : Thermodynamique Chimie 2 en Génie Industriel
Cours et travaux dirigés Thermodynamique et chimie des solutions Page 4 est indépendante de la quantité de matière. 73"directement ou indirectement grâce à des instruments de mesure :
La exprimée en Pa (pascal)
La exprimée en K (kelvin)
Le exprimé en m3 (mètre cube)
La exprimée en mol (mole).
3.3. Différents types de transformation
système physico-chimique sont : la température, la pression, le volume, la masse, la
concentration, la masse volumique, le nombre de mole, la pression partielle. d) Transformation adiabatique: une transformation adiabatique est une transformation au effectuée dans un sens et dans le sens opposé. Dans ce cas, le système passe infinimentChapitre 1 : Thermodynamique Chimie 2 en Génie Industriel
Cours et travaux dirigés Thermodynamique et chimie des solutions Page 5transformations spontanées naturelles qui ne peuvent être inversées sans intervention de
4. Gaz parfaits
Le gaz parfait est un modèle thermodynamique qui permet de décrire le comportementdes gaz réels à basse pression. Ce modèle suppose que les particules du gaz sont suffisamment
éloignées les unes des autres pour pouvoir négliger les interactions électrostatiques qui
dépendent de la nature physico-chimique du gaz.4.1. Hypothèse du gaz parfait (théorie cinétique)
Les atomes ou molécules sont assimilés à des masses ponctuelles ; Les molécules sont sans interactions entre elles ;273,15) ;
P en Pa (SI) ou en bar ou en atm ou en Torr (1 atm=101325 Pa, 1 bar= 105 Pa, 1Torr=1/760 atm)
V en m3 (SI) ou en L (1 L =1 dm3=10-3 m3)
n en mol/m3 ou mol/l eQHUJLHHQ-RXN-PRORXNFDOPRORXODWPRXH9" R=8,31451 J.K-1.mol-1 (dans le système MKSA) = 2 cal, K-1.mol-1 = 0,082 l.atm.K-1.mol-1
parfait»PV = nRT (Eq. 1.1)
Chapitre 1 : Thermodynamique Chimie 2 en Génie Industriel
Cours et travaux dirigés Thermodynamique et chimie des solutions Page 6 4.3. a) Loi de Boyle-Mariotte : Relation (P, V) A température constante et lorsque le nombre de moles est constant, la pression et le volume sont inversement proportionnels :PV = Cste
b) Loi de Charles : Relation (V, T) A pression constante et lorsque le nombre de moles est constant, le volume varie linéairement avec la température :V/T = Cste
c) Loi de Gay-Lussac : Relation (P, T) Lorsque le nombre de mole est constant et à volume constant, la pression varie linéairement avec la température :P/T = Cste
relations.4.4. Diagramme de Clapeyron
Figure 1.3. Diagramme de Clapeyron
Chapitre 1 : Thermodynamique Chimie 2 en Génie Industriel
Cours et travaux dirigés Thermodynamique et chimie des solutions Page 7PVȖ = Cste
Avec Ȗ = indice adiabatique.
Gaz Exemple Valeur
Mono-Atome He, Ar
Bi-Atome N2, O2, H2
Tri, tétra,..-Atome CO2, H2O, CH4
5. Notions de chaleur et de travail
extérieur sous différentes formes. Dans ce cours, seuls les échanges sous forme de chaleur et
de travail mécanique seront pris en considération.5.1. Notion de chaleur (Q)
Lorsque le système échange de la chaleur (énergie calorifique) avec le milieu extérieur, cette chaleur provoque une variation de la température ou un changement de sonétat physique.
Pour une petite transformation dQ quantité de chaleur reçue par le système, que ce soittempérature et C la capacité calorifique en J.K-1, dQ est appelé chaleur élémentaire.
emarque : parfois C capacité calorifique molaire J.K-1.mol-1 alors dQ n.C.dT, et parfois C capacité calorifique massique J.K-1.Kg-1 alors dQ m.C.dTSigne de Q
Q 0 le système libère de la chaleur ; la réaction est dite exothermique (ex NaOH Q 0 le système gagne de la chaleur ; la réaction est dite endothermique (ex : KNO3Chapitre 1 : Thermodynamique Chimie 2 en Génie Industriel
Cours et travaux dirigés Thermodynamique et chimie des solutions Page 85.1.1. Capacités calorifiques
Les capacités calorifiques massiques et molaires sont des fonctions de la température, cependant, sur un intervalle de température limite, on peut souvent faire une approximation et considérer c et C comme constantes, on utilisera alors les expressions suivantes :ǻ (Eq. 1.2) ou ǻ (Eq. 1.3)
(isobare ou isochore), ainsi, on définit pour chaque corps pur: La capacité calorifique molaire "CP"(ou massique CP) à pression constante. La capacité calorifique molaire CV (ou massique CV) à volume constant. Pour les gaz parfait CP et CV sont reliées par la relation de Mayer :CP CV = R (Eq. 1.4)
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