Pour aller plus loin. Dissoudre du nitrate d'ammonium NH₄NO₃ refroidit…

Exercice supplémentaire · niveau 3 (difficile) · chimie (première), chapitre 7 — Cohésion, dissolution et solubilité · Quantifier la cohésion et la dissolution

Énoncé

Pour aller plus loin. Dissoudre du nitrate d'ammonium $NH X_{4} NO X_{3}$ refroidit nettement l'eau (c'est le principe de la poche de froid instantané), alors que dissoudre du chlorure de calcium $CaCl X_{2}$ la réchauffe.

Interpréter : dans une dissolution, quelles étapes coûtent de l'énergie, laquelle en libère ?
On dissout $20, 0$ g de $NH X_{4} NO X_{3}$ ( $M = 80, 0 g / mol$ , énergie de dissolution $+ 25, 7 kJ / mol$ ) dans $100, 0$ g d'eau ( $c = 4, 18 J / g / K$ ). Estimer la chute de température.

Corrigé

1. La dissolution enchaîne deux bilans énergétiques opposés :

la dissociation du réseau ionique coûte de l'énergie (il faut vaincre l'attraction électrostatique entre cations et anions) ;
la solvatation des ions par l'eau en libère (de nouvelles interactions ion-dipôle se créent).

Le bilan est la somme algébrique des deux. Pour $NH X_{4} NO X_{3}$ , la solvatation ne compense pas la dissociation : bilan positif, la dissolution prélève de l'énergie au milieu, qui refroidit — elle est endothermique. Pour $CaCl X_{2}$ , l'ion $Ca X^{2 +}$ , doublement chargé et petit, est très fortement solvaté : la solvatation l'emporte, bilan négatif, la dissolution est exothermique.

2. $n = \frac{20 , 0}{80 , 0} = 0, 250$ mol, donc l'énergie prélevée vaut

$Q = 0, 250 \times 25, 7 \times 1 0^{3} = 6, 43 \times 1 0^{3} J .$

Prélevée sur l'eau : $Q = m c ∣Δ θ ∣$ , d'où

$∣Δ θ ∣ = \frac{6 , 43 \times 1 0 ^{3}}{100 , 0 \times 4 , 18} = 15, 4 K .$

Partant de $20^{\circ}$ C, l'eau descend vers $5^{\circ}$ C — la sensation de froid est immédiate.

Contrôle : l'ordre de grandeur est celui d'une poche de froid du commerce, qui descend effectivement à quelques degrés. Le calcul néglige la capacité thermique du sel dissous et les échanges avec l'extérieur : la chute réelle est un peu plus faible.

Piège : croire qu'une dissolution endothermique est « impossible » ou « ne se fait pas spontanément ». Elle se fait très bien : le désordre gagné par la dispersion des ions suffit à la rendre spontanée malgré le coût énergétique.

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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.