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#1
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\begin{center}
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\textbf{#1}
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\item[] \noindent #2
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\end{minipage}
\end{center}\vspace{0.1cm}
}


\begin{document}
 
\begin{center}
\begin{tabular*}{\textwidth}{@{}l@{\extracolsep{\fill}}r@{}}
Leçon de Chimie  &   Gey Lucas, Rossetti Sylvio \\
\end{tabular*}
\vspace{0.5cm}

\HRule \\
\LARGE \textsc{Énergie Chimique}\\[-0,3cm]
\HRule \\
\end{center} 

\section*{Niveau} 

STL

\section*{Pré-requis}
\begin{itemize}
    \item Liaisons chimiques
    \item Etats standards?
    \item Avancement
    \item Oxydo-réduction
    \item Grandeurs électriques
\end{itemize}

\section*{Programme}
\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{images/programme_STL.PNG}
    \caption{Programme STL aspect thermo}
    \label{STL_thermo}
\end{figure}
\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{images/programme_STL_2.PNG}
    \caption{Programme STL aspect életrochimie}
    \label{STL}
\end{figure}


\section*{Bibliographie}
\begin{itemize}
    \item 
\end{itemize}



\section*{Expériences}
\begin{itemize}
    \item 
\end{itemize}

\tableofcontents

\section*{Introduction}
L'énergie chimique : 
\begin{itemize}
    \item Energie contenue dans les liaisons. 
\end{itemize}

On s'intéresse à comment récupérer et utiliser cette énergie.

\section{Combustion}

\subsection{Rappel sur la combustion}
Fil rouge de la partie :  quantité d'énergie contenue dans un briquet (butane).

Triange du feu : 
\begin{itemize}
    \item Combustible
    \item Chaleur $\equiv$ energie d'activation
    \item Comburant
\end{itemize}
La combustion transforme de l'énergie chimique en thermique

\begin{figure}
    \centering
    \includegraphics[width = .7\textwidth]{images/Triangle-du-feu-13.png}
    \caption{Le triangle du feu}
    \label{triangle}
\end{figure}

$$C (s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$$

\remarque{Il arrive qu'il y ait combustion incomplète :$$C (s) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO(g)$$ 
Très dangereux car toxique (intoxication au monoxyde de carbone, inodore et incolore)}

Quand on brûle du bois, l'énergie fournie par la réaction suffit à entretenir le feu. 

Pour le cas qui nous intéresse : Le briquet, le combustible est le butane. Le comburant est le dioxygène de l'air et l'étincelle permet d'amorcer la réaction.\\

$$C_4H_{10} + \frac{13}{2} O_2\rightarrow 4CO_2 + 5H_2O$$
On sent que plus il y a de butane et plus il y aura potentiellement d'énergie (on va le montrer après) mais on peut commencer par déterminer la quantité de matière de butane pour un briquet de $10$cm$^3$:\\

$$n = \frac{m}{M} = \frac{\rho V}{M} = \frac{601\times 1\times 10^{-2}}{58} = 1.0\times 10^{-1} \SI{}{mol}$$



\remarque{Transition:\\ On veux faire le lien entre une réaction chimique et l'énergie libérer}

\subsection{Enthalpie standard de réaction}

\textbf{Définition}: Grandeur énérgétique égale à l'énergie thermique libéré ou capté par la réaction chimique considéré quand son avancement augmente d'une mole à T constant et à P = 1bar (P standard)\\
\begin{itemize}
    \item Notation  : $\Delta_rH^\circ$
    \item Unité : J/mol
    \item Convension : on considère le système comme les molécules et les énergies comme rentrante dans le système : 
    \begin{itemize}
        \item $\Delta_rH^\circ>0$ : Energie capté : Réaction endothermique
        \item $\Delta_rH^\circ<0$ : Energie libéré : Réaction exothermique
        \item $\Delta_rH^\circ=0$ :Pas d'échange : Réaction athermique
    \end{itemize}
\end{itemize}

Là on a une énergie par mol, donc pour avoir l'énergie libéré par une réaction il faut multiplier par l'avancement $E =\Delta_rH^\circ<0 \xi $\\

On se dit c'est gagné ! le cours est plié, mais non parce que si il faut déterminer  $\Delta_rH^\circ$ pour toute réaction on est as sortie : $N^p$ réactions N espèces chimique,p molécularité (a prendre a sesn large : le nombre d'espèce présente dans les réactions)


Heureusement on a la loi de Hess : si on peut décomposer une réaction en $(1) = (2)+(3)$ alors $\Delta_rH^\circ_1 = \Delta_rH^\circ_2+\Delta_rH^\circ_3$

On a moins de choses a connaitre !
\remarque{transition : \\
Mais qu'est ce qui est tabulé ?}

\subsection{Enthalpie Standard de formation}
\textbf{Définition :} Enthalpie Standard de réaction pour la réaction de formation à partir des états standard de références : 
\begin{itemize}
    \item $H\longrightarrow H_2(g)$
    \item $He\longrightarrow He(g)$
    \item $C\longrightarrow C(s)$
    \item $N\longrightarrow N_2(g)$
    \item $O\longrightarrow O_2(g)$
\end{itemize}

\textbf{Application:}

$$C_4H_{10}(g) + \frac{13}{2} O_2\rightarrow 4CO_2 + 5H_2O(g) ~~~~~~ \Delta_rH^\circ $$
$$4C(s)+5H_2(g) \rightarrow C_4H_{10}(g) ~~~~~~ \Delta_fH^\circ_1 $$
$$4C(s)+5H_2 +\frac{13}{2} O_2 \rightarrow  4CO_2 + 5H_2O(g) ~~~~~~ \Delta_rH^\circ_2 $$

La deuxième relation correspond déjà a une somme de réaction de formation.\\
\begin{align}
    \Delta_rH^\circ = & \Delta_fH^\circ_1+\Delta_rH^\circ_2\\
    {}=&125-4\times 394-5\times 242\\
    {}=&-2.66\times 10^3 \SI{}{kJ/mol}
\end{align}

C'est bien exothermique.
Energie libéré: 
$$E = \|\Delta_rH^\circ \|n = 2.7\times 10^{2} \SI{}{kJ} $$


\subsection{Pouvoir calorifique}

Chaleur que libère 1 gramme de combustible : 
$$P_c =\frac{\|\Delta_rH^\circ \|}{M} $$
\begin{itemize}
    \item Butane : $P_c =45\SI{}{J/g}$
    \item Essence : $P_c =47\SI{}{J/g}$
    \item Dihydrogène :  $P_c =143\SI{}{J/g}$
\end{itemize}

\textbf{Chimie verte ?} On relâche du $CO_2$ gaz a effet de serre ainsi que de $H_2O(g)$ aussi gaz a effet de serre.

\section{Pile}
Fais suite au cours d'oxydoréduction
\subsection{Fonctionnement d'une pile}
Une description générale d'une pile fait ressortir les aspect principaux : 
\begin{itemize}
    \item Asymétrique : Il y a un pôle "plus" et un pôle "moins".
    \item La pile à une certaine tension a vide. Et elle n'alimente que des petits appareils
    \item Il ne faut pas jeter les piles à la poubelles une fois déchargées.
\end{itemize}

On va essayer de comprendre tout cela. Pour cela on va utiliser un exemple de pile : la pile Daniell \textit{Pourquoi la pile Daniell ? Car c'est un exemple historique (1836), et puis c'est pas trop compliqué pour commencer :)}


\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=0.4\textwidth]{images/Pile_Daniell.pdf}
    \caption{Schema de principe de la pile Daniel (source De la salle)}
    \label{rr}
\end{figure}

On représente schématiquement les piles de la manière suivante :

\begin{center}
\chemform{- Zn_\text{(s)}|ZnSO_{4\text{(aq)}}||CuSO_{4(aq)}|Cu_\text{(s)} +}
\end{center}

Commençons par du vocabulaire : \\
La pile dans son ensemble est appelé \textbf{Cellule électrolytique}. Elle est constitué de deux demi-piles ou \textbf{électrodes} (conducteur électrique + bain électrolytique(solution)) reliées par un pont salin.

On va en plus nommer différemment chaque électrode en fonction de son rôle : 
\begin{itemize}
    \item L'anode : l'électrode où a lieu l'oxydation
    \item La cathode: l'électrode où a lieu la réduction.
\end{itemize}

\begin{tcolorbox}
Montage de la pile Daniel Cachau Expérience de la famille Red-Ox page 243 (540.76/CACH).\\
On met un ampère mètre et un voltmètre pour placer le sens du courant et de la tension.
\end{tcolorbox}

\textbf{Exercice :}
Associons à chaque électrode son nom à partir de la connaissance des constituants de la pile et des observations expérimentale: \\
\begin{itemize}
    \item On observe qu'au pôle + il y a : $Cu^{2+}$ $SO_4^{2-}$, et $Cu$, du plus le courant sort de cette électrode, donc les électrons y arrives :   on a donc la réaction $$Cu^{2+}+2e^- \rightarrow Cu(s)$$
    C'est donc une réduction. Cette électrode est la cathode.
    \item Avec le même raisonnement on trouve que $$Zn\rightarrow Zn^{2+} + 2 e^-$$
    C'est donc l'anode. \textit{Pour s'en rappeler : Anode et Oxydation commencent par des voyelles, Cathode et Réduction par des consonnes}.
\end{itemize}

On peut alors déduire l'équation bilan :
$$Cu^{2+}+Zn(s)\rightarrow Cu(s)+  Zn^{2+} $$

Le pont salin sert à fermer électriquement le circuit. Cependant il est à noter que ce sont des ions qui y circulent, pas des électrons.\textit{(Le plus souvent, on imbibe du papier d'une solution concentrée (1 mol/L) de \chemform{KNO_3})}


\subsection{Aspect énergétique d'une pile}
$P=U\times I$

\begin{tcolorbox}
Expérience quantitative : Puissance optimale (Il trouve : $P_{opt} = 29\muup W$ et $I_{opt} = 54\muup A$).

Il s'agit de mesurer la tension et le courant délivrés par la pile en fonction de la résistance de charge, pour trouver la puissance optimale en fonction de $R$. On en déduit le courant et la tension au fonctionnement optimal.
\end{tcolorbox}

\subsubsection{Capacité d'une pile}

La capacité $Q$ d’une pile correspond à la quantité d’électricité (charge en coulomb) qui a circulé dans le circuit extérieur entre le début de fonctionnement de la pile et son équilibre chimique ($\Delta E = 0$).\\
Ici on a $Q = 2F\xi_{max}$. On fait un tableau d'avancement, on observe que $Cu^{2+}$ et le réactif limitant et que $K^\circ =exp\left(\frac{2F}{RT}(\Delta E^\circ)\right) = 2\times 10^{37}$ donc on considère la réaction totale.$$K^\circ = \frac{x}{c-x} ~~\text{donc} ~~ x=\frac{K^\circ}{1+K^\circ}c\simeq c$$

Donc en prenant $c = 1,00\times 10^{-3}$mol/L et $V= 1$L on obtient : $Q = 2FcV = 193 C = 54mAh$. Capacité pile AAA : $Q = 1250 mAh$ (source Wiki).


Pour avoir l'énergie totale que délivre la pile on fait :
$$E = P\times\tau = P_{opt}\times \frac{Q}{I_{opt}} $$

\section*{Conclusion}

On peut comparer les deux source d'énergie, et leurs utilisations. 
Aujourd'hui, le combustible utilisé dans les fusées est bien plus performant que du butane... Mais il pollue beaucoup plus. 
L'important c'est d'économiser l'énergie!
\end{document}
