Sciences · Chimie
Réactions exothermiques et endothermiques
Une réaction exothermique libère de l’énergie thermique vers l’extérieur et réchauffe son environnement ; une réaction endothermique en absorbe et le refroidit. Le signe de la variation d’enthalpie ΔH les distingue.
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Toute réaction chimique s’accompagne d’un échange d’énergie avec l’extérieur, le plus souvent sous forme de chaleur. Un feu de bois chauffe la pièce, une poche de froid instantané refroidit une cheville, la photosynthèse capte l’énergie du soleil. Le sens de cet échange permet de classer les réactions en deux catégories, dont les préfixes viennent du grec : exo, dehors, endo, dedans, et thermos, chaud.
L’enthalpie de réaction
À pression constante, la chaleur échangée par une réaction est égale à sa variation d’enthalpie ΔH, exprimée en kJ par mole (de réaction, ou d’un réactif précisé).
| Exothermique | Endothermique | |
|---|---|---|
| Signe de ΔH | négatif | positif |
| Énergie des produits | inférieure à celle des réactifs | supérieure à celle des réactifs |
| Effet sur l’environnement | se réchauffe | se refroidit |
| Liaisons | les liaisons formées sont plus fortes que celles rompues | les liaisons rompues sont plus fortes que celles formées |
La convention de signe se raisonne du point de vue du système chimique : il perd de l’énergie dans une réaction exothermique, d’où le signe moins. Le calcul à partir des liaisons est détaillé dans la fiche énergie de liaison.
Le diagramme d’énergie
On représente souvent une réaction par un profil : l’énergie des réactifs à gauche, celle des produits à droite, et entre les deux une « bosse », l'énergie d’activation, qu’il faut franchir pour que la réaction démarre.
- Exothermique : les produits sont plus bas que les réactifs.
- Endothermique : les produits sont plus haut.
Même une réaction très exothermique peut avoir besoin d’un coup de pouce pour démarrer : une allumette pour le gaz, une étincelle pour le moteur. Une fois lancée, la chaleur dégagée suffit à entretenir la réaction. La vitesse dépend de l’énergie d’activation, non de ΔH (voir la cinétique chimique).
Exemples de réactions exothermiques
| Réaction | ΔH approximatif | Contexte |
|---|---|---|
| Combustion du méthane : CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O (liquide) | −890 kJ/mol | chauffage, cuisine |
| Combustion du glucose (respiration) : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O | ≈ −2 800 kJ/mol | énergie des êtres vivants |
| Neutralisation acide fort + base forte : H⁺ + HO⁻ → H₂O | −57 kJ/mol | laboratoire |
| Formation de la rouille | fortement exothermique, mais lente | chaufferettes à fer en poudre |
| Hydratation de la chaux vive : CaO + H₂O → Ca(OH)₂ | −65 kJ/mol | plats auto-chauffants |
| Réaction aluminothermique (aluminium + oxyde de fer) | très fortement exothermique | soudure des rails |
Les chaufferettes de poche jetables contiennent de la poudre de fer, du sel, de l’eau et du charbon actif : à l’ouverture, le fer s’oxyde au contact de l’air en dégageant de la chaleur pendant plusieurs heures. Voir corrosion et rouille.
Exemples de réactions endothermiques
| Réaction | Contexte |
|---|---|
| Photosynthèse : 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ (≈ +2 800 kJ/mol) | énergie fournie par la lumière |
| Décomposition du calcaire : CaCO₃ → CaO + CO₂ (≈ +178 kJ/mol) | fours à chaux et cimenteries, vers 900 °C |
| Décomposition du bicarbonate : 2 NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂ | levée des gâteaux au four |
| Électrolyse de l’eau : 2 H₂O → 2 H₂ + O₂ | énergie électrique fournie |
| Réaction du bicarbonate avec l’acide citrique | comprimés effervescents légèrement froids |
| Cuisson d’un œuf | la dénaturation des protéines exige un apport continu de chaleur |
La photosynthèse et la respiration cellulaire sont l’exacte inverse l’une de l’autre : l’énergie solaire stockée par la première est libérée par la seconde.
Et les phénomènes physiques ?
Les termes s’appliquent aussi aux transformations physiques :
| Exothermique | Endothermique |
|---|---|
| Solidification de l’eau, liquéfaction de la vapeur, condensation du givre | fusion de la glace, évaporation de l’eau, sublimation de la neige carbonique |
| Dissolution de la soude, du chlorure de calcium ou de l’acide sulfurique dans l’eau | dissolution du nitrate d’ammonium ou du chlorure d’ammonium |
Les poches de froid instantané des trousses de secours contiennent du nitrate d’ammonium et un sachet d’eau ; en écrasant la poche, la dissolution absorbe la chaleur et la température chute de plusieurs dizaines de degrés en quelques secondes. Voir la dissolution et les changements d’état.
Exothermique veut-il dire spontané ?
Pas nécessairement. De nombreuses réactions spontanées sont exothermiques, mais certaines sont endothermiques : la dissolution du nitrate d’ammonium se fait seule, en refroidissant l’eau. Le critère de spontanéité fait intervenir, en plus de l’enthalpie, l'entropie, qui mesure la dispersion de l’énergie et de la matière (voir la thermodynamique). Une réaction endothermique peut être spontanée si elle augmente fortement l’entropie, par exemple en produisant des gaz ou en dispersant un cristal en ions.
Sécurité
Les réactions très exothermiques peuvent s’emballer : la chaleur accélère la réaction, qui dégage encore plus de chaleur. C’est la raison de consignes classiques :
- verser l’acide dans l’eau, et jamais l’inverse, pour diluer un acide concentré ;
- refroidir et ajouter lentement les réactifs dans les synthèses industrielles ;
- ne jamais enfermer une réaction qui dégage chaleur et gaz dans un récipient hermétique.
Questions fréquentes
Comment savoir si une réaction est exothermique ?
En mesurant la température : si le milieu se réchauffe, la réaction est exothermique ; s’il se refroidit, elle est endothermique. Par le calcul, un ΔH négatif signale une réaction exothermique.
La combustion est-elle toujours exothermique ?
Oui. Toutes les combustions libèrent de la chaleur ; c’est pour cela qu’on les utilise. Il faut toutefois les amorcer en franchissant l’énergie d’activation.
Pourquoi la photosynthèse est-elle endothermique ?
Parce qu’elle transforme des molécules pauvres en énergie (CO₂ et eau) en glucose, riche en énergie. Cette énergie est fournie par la lumière solaire absorbée par la chlorophylle.