En chimie, l’énergie de dissociation d’une liaison (D0) réfère à l’une des mesures de l’énergie d’une liaison chimique. Elle correspond au changement d’enthalpie lors d’un clivage homolytique avec des réactifs et des produits de la réaction d’homolyse* à 0 K (zéro absolu). D’ailleurs, l’énergie de dissociation d’une liaison est parfois appelée l’enthalpie de dissociation d’une liaison. Cependant, ces termes ne sont pas strictement équivalents car l’enthalpie de dissociation d’une liaison réfère à la réaction de dissociation dans les conditions normales de température et de pression. Cela amène une différence d’environ 1,5 kilocalorie par mole (kcal/mol), ou 6 kJ/mol, dans le cas d’une liaison hydrogène dans une grande molécule organique.
* rupture homolytique ou clivage homolytique est la rupture d’une liaison covalente en deux fragments ; chacun retenant l’un des deux électrons du doublet d’électrons liants.
Exemple :
L’énergie de dissociation de l’un des liens C–H de l’éthane (C2H6) est donnée par la réaction :
Elle [l’énergie de liaison] représente l’énergie requise pour briser une mole de molécules en atomes individuels. Par exemple, l’énergie de la liaison carbone-hydrogène dans le méthane, E(C–H), est l’enthalpie nécessaire pour casser une molécule de méthane en un atome de carbone et quatre atomes d’hydrogène, divisée par 4.
L’énergie de liaison ne doit pas être confondue avec l’énergie de dissociation de liaison, qui est, en dehors du cas particulier des molécules diatomiques, une quantité différente. L’énergie de liaison représente en fait la moyenne des énergies de dissociation des liaisons de même type d’une molécule. L’énergie de liaison est, en première approche, une propriété transférable, et l’enthalpie de formation peut typiquement être approchée en additionnant simplement les valeurs tabulées de l’énergie de toutes les liaisons d’une molécule, avec parfois une erreur de seulement quelques pourcents.
L’énergie de liaison ne doit pas être confondue avec l’énergie de dissociation de liaison, qui est, en dehors du cas particulier des molécules diatomiques, une quantité différente. L’énergie de liaison représente en fait la moyenne des énergies de dissociation des liaisons de même type d’une molécule.
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On aborde ici la notion d’énergie de liaison et énergie de réaction (de façon très simplifiée par rapport aux subtilités thermodynamiques !).
Au IXe siècle, Al-Razi décrit la distillation du pétrole au moyen d’un alambic, produisant du pétrole lampant ; ce dernier a été utilisé par les Byzantins, puis les Vénitiens, et on peut supposer que le « feu grégeois », qui incendiait les navires ennemis, en contenait. […]
En 1855, George Bissell et Jonathan Eveleth apprennent que le pétrole qu’on trouve très facilement dans le Nord-Est des États-Unis, en Pennsylvanie, (et qui était utilisé jusque-là par les Indiens et les premiers colons pour l’éclairage) pouvait fournir du pétrole lampant par distillation. […]
À la même époque, l’industrie pétrolière naît en Roumanie, avec la première raffinerie en 1857 à Ploieşti, qui alimente les 1 000 lampes de l’éclairage public de Bucarest. En juillet 1858, le professeur de géologie Georg Christian Konrad Hunäus supervise le premier forage pétrolier en Allemagne sur la commune de Wietze qui exploite le premier puits de pétrole en juin 1859. […]
L’industrie pétrolière produira de la graisse pour la mécanique, de l’huile de graissage pour les moteurs ; les fractions les plus lourdes telles que le fioul lourd seront longtemps employées comme combustible, soit dans les moteurs Diesel marine (1910 pour la Marine britannique), soit dans le chauffage individuel ou la production électrique ; les résidus (asphalte) sont employés pour le revêtement des routes. […]
La chimie s’emparera également des produits pétroliers, qui livrent des intermédiaires de synthèse à un prix inégalable, particulièrement le benzène ; d’autres gammes de produits naissent, souvent en employant les nouvelles connaissances en polymérisation, avec le polychlorure de vinyle dès le début du XXe siècle, ou le Nylon 6-6 en 1935. […]
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Un travail d’exploration des combustibles pour aborder les problématiques et alternatives à l’ordre du jour…
À l’origine il s’agissait d’une hypothèse de certains philosophes grecs présocratiques et notamment d’Empédocle au Ve siècle av. J.-C., selon laquelle tous les matériaux constituant le monde seraient composés de quatre éléments, dont chacun est représenté par un symbole différent dans la tradition alchimique :
[…] L’apport le plus décisif à la théorie des quatre éléments fut celui d’Aristote qui y ajouta la notion de quatre qualités élémentales associées deux par deux et contraires. Il donna aussi un ordre naturel : en bas la terre, puis l’eau, puis l’air, enfin le feu (le Soleil), et l’éther pour les corps célestes. « Comme il y a quatre éléments, et que les combinaisons possibles, pour quatre termes, sont au nombre de six ; mais, comme aussi les contraires ne peuvent pas être accouplés entre eux, le froid et le chaud, le sec et l’humide ne pouvant jamais se confondre en une même chose, il est évident qu’il ne restera que quatre combinaisons des éléments : d’une part chaud et sec, chaud et humide ; et d’autre part, froid et sec, froid et humide. Ceci est une conséquence toute naturelle de l’existence des corps qui paraissent simples, le feu, l’air, l’eau et la terre. Ainsi, le feu est chaud et sec ; l’air est chaud et humide, puisque l’air est une sorte de vapeur ; l’eau est froide et liquide ; enfin, la terre est froide et sèche. Il en résulte que la répartition de ces différences entre les corps premiers se comprend très bien, et que le nombre des uns et des autres est en rapport parfait. » […]
La théorie du phlogistique est une théorie chimique révolue qui expliquait la combustion en postulant l’existence d’un « élément-flamme », fluide nommé φλογιστόν (phlogistón) (du grec φλόξ phlóx, flamme), présent au sein des corps combustibles. Elle a été conçue par le chimiste allemand Johann Joachim Becher à la fin du XVIIe siècle, et développée par Georg Ernst Stahl. Cette théorie, réfutée par la découverte du rôle de l’oxygène de l’air dans le processus de combustion, mis en évidence par Lavoisier au XVIIIe siècle, a été supplantée par la théorie du calorique. L’idée de base est que, puisque les flammes sont évidemment réelles, il doit nécessairement exister un élément qui participe à la constitution des corps combustibles, fluide comme les flammes le sont manifestement et qui, à la suite de la combustion, serait le constituant concret principal de ces flammes. L’idée se rattache aux quatre éléments d’Empédocle censés constituer toute chose selon la philosophie naturelle. […] On a longtemps cru que la chaleur était constituée d’un fluide que l’on avait nommé le « phlogistique » (dérivé savant formé par J.J. Becher d’après le grec phlogistos : « inflammable »). On peut l’associer au feu. La perte de masse résultant d’une combustion (on parlait de calcination, toute substance calcinée retournait à l’état de chaux, chaux décrivant surtout l’aspect pulvérulent et terreux du résidu) était attribuée au départ du phlogistique : la masse qui partait était de la chaleur. La théorie affirme que tous les matériaux inflammables contiennent du phlogiston, une substance incolore, inodore, impondérable, qui serait dégagée en brûlant. Une fois brûlée, la substance « déphlogistifiée » apparaîtrait sous sa vraie forme. […] Par la suite, quantité d’expériences ont mis en évidence de nombreux problèmes, notamment le fait que des métaux, comme le magnésium, gagnaient de la masse en brûlant, bien qu’ils aient dû perdre des phlogistons. Certains partisans des phlogistons ont expliqué cela en concluant que ceux-ci avaient une « masse négative » ; d’autres, comme Jean Pierre Chardenon et Louis-Bernard Guyton-Morveau, ont argué que le phlogiston était plus léger que l’air. Toutefois, une analyse plus détaillée, fondée sur le principe d’Archimède et les densités du magnésium, ont montré que le fait d’être plus léger que l’air ne peut démontrer l’augmentation de la masse selon cette théorie. La théorie des phlogistons est restée dominante jusqu’à ce qu’Antoine Lavoisier montre que la combustion nécessite la présence d’oxygène, résolvant ainsi le paradoxe pondéral et jetant les bases d’une nouvelle théorie calorifique de la combustion, grâce à une nouvelle notion énergétique : le calorique.
Développée principalement par l’allemand Georg Ernst Stahl au 18ème siècle, la théorie du phlogistique tente d’expliquer le phénomène de la combustion. Selon elle, tous les corps renferment en eux un principe de combustibilité invisible appelé phlogistique qui, quand il s’échappe lors d’une combustion, devient visible : c’est le feu, accompagné de lumière et de chaleur. Mais ce postulat soulève un problème : la calcination d’un métal par exemple devrait impliquer une perte de poids. En fait c’est l’inverse qui se produit. Pour expliquer cette augmentation, Stahl parle du poids négatif du phlogistique ! Dans la réalité, la combustion d’un corps impliquant sa combinaison avec l’oxygène de l’air, il est normal que son poids augmente après calcination. Lavoisier n’est bien entendu pas d’accord avec la théorie du phlogistique qu’il juge erronée. Il la combattra sans relâche, elle s’éteindra dans les dernières années du XVIIIe siècle. Il pense que la chimie de son époque repose sur beaucoup d’idées incohérentes et peu de faits établis. Toute sa vie il s’efforcera de démontrer par l’expérience les théories qu’il avance.
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Il s’agit ici d’un travail de questionnement concernant le feu et la combustion.Dans la même optique on pourra consulter :
En complément on trouvera une petite collection de textes à propos des problématiques de didactique et pédagogie. On interroge en particulier l’option inductiviste…
1. Questionner
Bien sûr selon le niveau de formation concerné on pourra introduire des éléments utiles et proposer si nécessaire un magistral en situation après ce travail d’investigation.
Les lois physiques décrivant le comportement des gaz ont été énoncées entre les milieux des XVIIe et XVIIIe siècles, à partir d’études empiriques. Ces lois sont purement descriptives et ne fournissent pas d’explication.
Loi de Boyle-Mariotte (1662 et 1676) : P V = Constante à T et n constants
Lois de Charles (1787) et de Gay-Lussac (1802) : V = k T à P constante et P = k T à V constant
Loi d’Avogadro – Ampère (1811) : V = k n à P et T constantes
Loi ou équation d’état des gaz parfaits (Clapeyron, 1834) : P V = n R T.
Les recherches d’interprétation de ces lois conduisent à la théorie cinétique développée à partir du XVIIIe siècle. La mathématisation des modèles est fondée sur un traitement statistique puisque un échantillon gazeux comporte un très grand nombre de particules. Ceci permet de relier les grandeurs macroscopiques, et leurs relations, aux grandeurs de description au niveau microscopique.
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On propose ici deux activités d’investigation concernant les lois et la théorie cinétique des gaz :
L’énergie osmotique exploite la différence de potentiel chimique entre des solutions de concentrations différentes, par exemple l’eau de mer et l’eau douce. C’est donc une source d’énergie renouvelable prometteuse. Deux méthodes principales, l’osmose à pression retardée et l’électrodialyse inverse, sont déjà à l’œuvre, respectivement en Norvège et aux Pays-Bas. D’autres méthodes, capacitives ou à hydrogel, sont également à l’étude.
Cette centrale pilote utilisera la technologie « INOD® » (pour « Ionic Nano Osmotic Diffusion » de Sweetch qui repose sur une nouvelle génération de membranes : « issue de la recherche publique française (sous la direction du professeur Lydéric Bocque, CNRS/ENS) […] elle intègre les avancées les plus récentes dans le domaine des nanotechnologies et des éco-matériaux pour que le phénomène d’osmose produise un échange d’ions considérablement accéléré ». Concrètement, ladite technologie est annoncée comme « 20 fois plus performante et 10 fois moins chère que les autres » (avec notamment une capacité de production de « 20 W/m2, contre environ 1 W/m2 pour les membranes dans les anciennes technologies » selon Sweetch).
La présentation ci-jointe est le support d’une conférence de vulgarisation pour le grand public. L’exposé porte sur les aspects les plus saillants en évitant les développements mathématiques.
Le document est téléchargeable à l’adresse DOCS (dossier relativites).
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Certaines animations sont empruntées à ScienceClic, dont je souhaite remercier ici l’auteur, Alessandro Roussel, et saluer son travail remarquable. https://www.youtube.com/ScienceClic
Des vidéos sont extraites de la série Genius (saison 1) de Noah Pink et Ken Biller, adaptée du roman de de Walter Isaacson Einstein, la vie d’un génie (2007) et produite par Brian Grazer et Ron Howard. Elle a été diffusée par National Geographic TV : https://www.natgeotv.com/ca/genius-einstein.
La technologie RFID est utilisée, même si c’est au début de façon confidentielle, pour des applications militaires depuis la seconde guerre mondiale. Mais ce n’est qu’à partir des années 2000 qu’elle se popularise. Dans le secteur de la logistique, elle participe à la traçabilité des produits de l’entrepôt au magasin. Ensuite, elle se transforme en système antivol et en moyen d’identification des produits en caisse. Dans les bibliothèques, la RFID aide à identifier les livres. Et on la trouve aussi sur les passeports, sur les cartes d’accès aux transports en commun et même dans les puces qui servent à identifier nos chiens et nos chats. […] On la retrouve notamment dans : les télépéages, l’accès aux transports publics, le paiement sans contact, l’identification et la traçabilité d’objets (inventaire de grands magasins par exemple), les contrôles d’accès, les passeports biométriques, les antivols, la gestion des déchets ménagers, le marquage d’êtres vivants (plantes, animaux d’élevages, êtres humains).
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Une collection documentaire pouvant donner lieu à exploitation et synthèse.
Il s’agit d’élaborer et mettre en œuvre un protocole expérimental exploitant la poussée d’Archimède, pour déterminer la masse volumique d’un solide supposé homogène.
Une autre activité porte sur la démonstration de l’expression de la poussée d’Archimède.
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https://fr.wikipedia.org/wiki/Chromatographie La chromatographie est une méthode physico-chimique qui sert à séparer les différentes substances présentes dans un mélange (échantillon en phase homogène liquide ou gazeuse). […]
Principe. La chromatographie repose sur l’entraînement d’un échantillon dissous par une phase mobile (ou éluant) à travers une phase stationnaire (ou phase fixe). La phase stationnaire, fixée soit sur la surface intérieure d’une colonne soit sur une surface plane, retient plus ou moins fortement les substances contenues dans l’échantillon dilué selon l’intensité des forces d’interactions de faible énergie (comme les forces de Van der Waals, les liaisons hydrogène, etc.) réalisées entre les différentes espèces moléculaires et la phase stationnaire. Selon la technique chromatographique mise en jeu, la séparation des composants entraînés par la phase mobile, résulte soit de leur adsorption et de leur désorption successives sur la phase stationnaire, soit de leur solubilité différente dans chaque phase.
Les différents types de chromatographie.
Par nature de la phase mobile
Chromatographie sur couche mince (CCM ou TLC en anglais).
Chromatographie en phase gazeuse (CPG ou GC en anglais) également appelée CPV (chromatographie en phase vapeur).
Chromatographie en phase liquide (CPL ou LC en anglais).
Chromatographie en phase liquide à haute performance (CLHP ou HPLC en anglais).
Chromatographie en phase supercritique (CPS ou SFC en anglais).
Par type d’interaction
Chromatographie d’adsorption/d’affinité.
Chromatographie de partage.
Chromatographie à échange d’ions.
Chromatographie chirale (qui est, soit de la CPG, soit de la CPL).
Chromatographie d’exclusion stérique (CES ou SEC en anglais).
On aborde ici la chromatographie sur couche mince avec trois travaux expérimentaux classiques : les colorants du sirop de menthe, l’eugénol du clou de girofle, le limonène des agrumes. Ce faisant on rencontrera bien sûr les procédés de décoction à reflux, hydrodistillation, extraction…
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Chantiers de Sciences 
