De formule NH₃ l'ammoniac, mis en évidence par Priestley en 1774, est un gaz incolore, d'odeur caractéristique, irritant, de densité 0,6 très soluble dans l'eau et facilement liquéfiable (- 33 °C à la pression atmosphérique). Facilement décomposé par la chaleur, il brûle dans l'oxygène, mais, en présence de catalyseurs appropriés, on peut l'oxyder à l'air et obtenir l'oxyde d'azote qui sert à la fabrication de l’acide nitrique. Il réagit également avec les halogènes. L'ammoniac est produit par la décomposition des matières organiques azotées, mais, industriellement, on l'obtient directement par action du diazote sur le dihydrogène. La réaction est catalysée par des oxydes de fer activés par des oxydes alcalins, sous une pression de l'ordre de 300 bar et à 500 °C. L'ammoniac est utilisé dans l'industrie des engrais, dans la synthèse de l'urée et du phosphate d'ammonium, dans la préparation des composés organiques azotés et dans les appareils frigorifiques.

Structure en pyramide à base triangulaire , l'atome d'azote ( bleu) en occupe le sommet et les trois atomes d'hydrogène ( gris ) forment le triangle équilatéral qui sert de base . La longueur de la liaison N-H est de 101 pm , l'angle HNH vaut 107°.

Constantes :

Les gaz sont assimilés à des gaz parfaits avec R = 8,314 J.mol^-1.K^-1.

Données thermodynamiques :

1.                Calculer l’enthalpie et l’entropie standard de la réaction à 298 K. Commenter les signes obtenus.

2.                Calculer l’enthalpie libre standard de réaction D_rG° à 298 K.Commenter le signe obtenu.

3.                Le graphe 1 est la représentation graphique de la courbe D_rG° = f (T) pour une pression p de 1bar.

On constate que cette courbe coupe l’axe des abscisses en un point M d’abscisse T_M = 458 K. Que représente cette température ?

Dans quel intervalle de température, la dissociation de l’ammoniac est-elle favorisée ?

4.                On donne la valeur, à 470 K, de l’enthalpie libre standard D_rG°_470K = -2,53 kJ.mol^-1.

Donner l’expression de la constante d’équilibre Kp relative aux pressions partielles. Calculer la valeur de Kp à 470 K.

5.                On réalise à 470 K sous une pression totale constante p = 1,0 bar la dissociation d’une mole d’ammoniac.

On rappelle que l’avancement x de la réaction à un instant t est tel que :  x = (n_i - n_i,0) / n_i

(n_i est le nombre de moles du constituant i à l’instant t, n_i,0 est le nombre de moles du constituant i à l’instant initial,

n_i est le cœfficient stœchiométrique algébrique du constituant i).

Vérifier que la valeur de l’avancement x, à l’équilibre, est 0,36 mol.

6.                On considère toujours la dissociation , à 470K d’une mole d’ammoniac ; sur le graphe 2 sont données :

·                  la représentation graphique de la variation (à une constante près), sous une pression de 1 bar, de l’enthalpie libre du système G en fonction de x, (courbe 1)

·                  la représentation graphique de la variation , sous une pression de 1 bar, de l’enthalpie libre de réaction du système D_rG en fonction de x,(courbe 2)

·                  la représentation graphique de la variation (à une constante près), sous une pression de 5 bar, de l’enthalpie libre du système G en fonction de x,(courbe 3)

·                  la représentation graphique de la variation , sous une pression de 5 bar, de l’enthalpie libre de réaction du système D_rG en fonction de x,(courbe 4)

Expliquer comment les courbes 1 et 2 permettent de vérifier la valeur de l’avancement à l’équilibre donnée à la question 5.

Déterminer graphiquement l’avancement à l’équilibre pour T = 470 K et p = 5 bar ; que peut-on en conclure sur l’effet d’une augmentation de la pression sur la dissociation de l’ammoniac ; ce résultat était-il prévisible ?

Graphe 1

Graphe 2