I- La réaction de combustion.

1)- Définition.

-  La réaction de combustion est une réaction d’oxydoréduction au cours de laquelle :

-  Un combustible s’oxyde ;

-  Un comburant, généralement le dioxygène O₂ (g), se réduit.

-  Remarque :

-  Pour activer la réaction de combustion, une énergie doit être apportée.

-  En conclusion :

-  La combustion nécessite :

-  Un combustible ;

-  Un comburant ;

-  Et une activation énergétique.

2)- La combustion complète :

-  Si lors de la réaction de combustion la quantité de dioxygène est insuffisante, la combustion est alors incomplète.

-  Il se forme alors deux produits supplémentaires :

-   Le carbone C

-  Et le monoxyde de carbone CO.

-  Le monoxyde de carbone est un gaz incolore, inodore et très toxique.

-  La gravité de l’intoxication dépend de la quantité de CO fixée par l’hémoglobine.

-  Les premiers symptômes et les plus fréquents sont : maux de têtes,  nausées , vomissements.

-  ppm : (parties par million)

-  ppm : Nombre de molécules de monoxyde de carbone CO par million de « molécules (N₂ et O₂)» d’air.

-  Ainsi l’air à 3200 ppm de CO , signifie qu'il y a 3200 molécules de monoxyde de carbone CO sur 1 million de « molécules (N₂ et O₂) » d'air.

-  L’air est un mélange principalement de molécules de diazote N₂ et de dioxygène O₂.

3)- Exemples :

►  Combustion du propane :

-  Relation pour un mélange stœchiométrique :

- 

►  Combustion de l’éthanol :

-  L'éthanol (alcool éthylique) est l’alcool que l'on retrouve dans les boissons alcoolisées.

-  Des petites quantités d'éthanol provoquent un état euphorique.

-  Des doses plus importantes dépriment gravement le système nerveux : à consommer avec modération.

-  Relation pour un mélange stœchiométrique :

- 

4)- Les différents combustibles :

-  Parmi les combustibles, on distingue :

-  Les combustibles fossiles : pétrole, charbon, méthane

-  Ces combustibles ne sont pas renouvelables à l’échelle humaine.

-  Ressources :

-  200 ans pour le charbon ;

-  60 ans pour le gaz naturel ;

-  40 ans pour le pétrole.

-  Les combustibles fossiles massivement utilisés actuellement dégagent beaucoup de gaz à effet de serre impliqués dans le réchauffement climatique.

-  Les agrocombustibles : éthanol, ester méthylique de colza, agrométhane, bois

-  Ces produits sont obtenus à partir de la biomasse et sont renouvelables à l’échelle humaine.

►  Une définition pour la ressource renouvelable :

-  Lorsque le stock de ressource énergétique se reconstitue aussi vite qu’il ne disparaît ou lorsque cette ressource est quasi illimitée (à notre échelle de temps),

-  On dit que cette ressource est renouvelable.

►  Une définition pour la ressource non renouvelable :

-  Lorsque le stock de ressource énergétique se reconstitue beaucoup moins vite qu’il ne disparaît ou lorsque cette ressource ne se reconstitue pas du tout,

-  On dit que cette ressource est non renouvelable.

II- La conversion de l’énergie.

1)- Énergie transférée lors d’une combustion.

-  Lors de la combustion, le système chimique contenant le combustible libère de l’énergie Q ( en joule J).

-  Les réactions de combustion sont des transformations exothermiques :

-  Q < 0.

►  Énergie molaire de combustion E_comb :

-  Énergie transférée lors de la combustion d’une mole de combustible.

-  C’est une grandeur négative :

-  E_comb < 0

-  Unité : joule par mole (J . mol^–1) 

►   Énergie transférée Q par la combustion d’une quantité n de combustible :

-  Q = n . E_comb

-  Tableau :

-  L’énergie transférée Q peut aussi se calculer à partir du pouvoir calorifique PC :

►  Pouvoir calorifique PC d’un combustible :

-  C’est l’énergie que l’on peut récupérer lors de la combustion d’un kilogramme de combustible.

-  Cette grandeur est positive :

-  PC > 0

-  Unité : joule par kilogramme (J . kg^–1) 

►  Énergie transférée Q par la combustion d’une masse m de combustible :

-  Q = – m . PC

-  Tableau :

►  Les signes pour les énergies :

-  E_comb < 0

-  Cette énergie est définie par rapport au système chimique qui contient le combustible.

-  Le système chimique est le système de référence.

-  Il cède de l’énergie au milieu extérieur.

-  PC > 0

-  Le pouvoir calorifique est défini par rapport au système chauffé (le plus souvent le milieu extérieur)

-  Le système chauffé reçoit de l’énergie.

►  Relation entre E_comb et PC :

-  Q = n . E_comb

-  Q = – m . PC

-  n . E_comb = – m . PC

-  Si on considère un combustible de masse molaire M :

-   

-  Tableau :

2)- Énergie molaire de combustion et énergie de liaison.

a)-  Énergie de liaison E_ℓ d’une liaison covalente A – B :

-  L’énergie de liaison E_ℓ d’une liaison covalente A – B, est l’énergie nécessaire pour rompre une mole de liaisons et libérer les atomes isolés A et B à l’état gazeux.

b)-  Tableau des valeurs de quelques énergies de liaison :

c)-  Calcul de l’énergie molaire de combustion  :

-  Lors de la combustion d’un combustible, des liaisons se rompent et d’autres se forment.

-  Ces modifications des structures moléculaires sont à l’origine de l’énergie molaire de combustion.

-  Pour calculer l’énergie molaire de combustion :

-  On écrit l’équation de combustion du combustible,

-  Dans cette équation, le combustible doit avoir un nombre stœchiométrique égal à 1.

►  Diagramme énergétique :

-  Énergie molaire de combustion :

-  À partir du diagramme énergétique, on peut en déduire que :

-  Les réactions de combustion sont exothermiques : elles libèrent plus d’énergie qu’elles n’en consomment.

-  E_comb < 0.

d)-  Exemple 1 : Calculer l’énergie molaire de combustion du méthane CH₄ :

-  Équation de combustion :

-  Structure moléculaire des molécules des réactifs :

-  Au cours de la combustion d’une mole de méthane :

-  1 × 4 moles liaisons C – H et 2 × 1 moles de liaisons O = O sont rompues.

-  E_ℓrompues = 4 × E_ℓ (C – H) + 2 × E_ℓ (O = O)

-  E_ℓrompues = 4 × 413 + 2 × 496

-  E_ℓrompues ≈ 2,644 × 10³ kJ . mol^–1

-  E_ℓrompues ≈ 2,64 × 10³ kJ . mol^–1

-  Structure moléculaire des produits :

-  Au cours de la combustion d’une mole de méthane : 

-  1 × 2 moles de liaisons C = O et 2 × 2 moles de liaisons H – O sont formées.

-  E_ℓformées = 2 × E_ℓ (C = O) + 2 × 2 × E_ℓ (H – O)

-  E_ℓformées = 2 × 796 + 2 × 2 × 463

-  E_ℓformées = 3,444 × 10³ kJ . mol^–1

-  E_ℓformées = 3,44 × 10³ kJ . mol^–1

-  Énergie molaire de combustion du méthane :

-  E_comb (CH₄) = E_ℓrompues – E_ℓformées

-  E_comb (CH₄) ≈ 2,64 × 10³ – 3,44 × 10³

-  E_comb (CH₄) ≈  – 800 kJ . mol^–1

e)-  Exemple 2 : Calculer l’énergie molaire de combustion du méthanol CH₄O :

-  Équation de la réaction :

-  Dans cette équation, le combustible doit avoir un nombre stœchiométrique égal à 1.

-  Structure moléculaire des molécules des réactifs et des produits :

-  Énergie des liaisons concernées :

-  Au cours de la combustion d’une mole de méthanol,

-   Les liaisons rompues :

-  1 × 3 moles de liaisons  C – H

-  1 × 1 mole de liaisons C – O

-  1 × 1 mole de liaisons H – O

-  × 1 mole de liaison O = O

-  E_ℓrompues = 3 × E_ℓ (C – H) + 1 × E_ℓ (C – O) + 1 × E_ℓ (O – H)  +  × E_ℓ (O = O)

-  E_ℓrompues = 3 × 413 + 1 × 360 + 1 × 463 +  × 496

-  E_ℓrompues ≈ 2,806 × 10³ kJ . mol^–1

-  E_ℓrompues ≈ 2,81 × 10³ kJ . mol^–1

-  Au cours de la combustion d’une mole de méthanol,

-  Les liaisons formées :

-  1 × 2 moles de liaisons C = O

-  2 × 2 moles de liaisons H – O

-  E_ℓformées = 2 × E_ℓ (C = O) + 2 × 2 × E_ℓ (H – O)

-  E_ℓformées = 2 × 796 + 2 × 2 × 463

-  E_ℓformées = 3,444 × 10³ kJ . mol^–1

-  E_ℓformées = 3,44 × 10³ kJ . mol^–1

-  Énergie molaire de combustion du méthanol :

-  E_comb (CH₄O) = E_ℓrompues – E_ℓformées

-  E_comb (CH₄O) ≈ 2,81 × 10³ – 3,44 × 10³

-  E_comb (CH₄O) ≈  – 638 kJ . mol^–1

-  Remarque : les calculs intermédiaires restent dans la mémoire de la calculatrice et ne sont pas arrondis.

-  Si les résultats intermédiaires sont arrondis, on trouve :

-  E_comb (CH₄O) ≈  – 630 kJ . mol^–1

III- Les enjeux des réactions de combustion.

1)- Combustion et énergie.

-  Lors des réactions chimiques, les molécules libèrent ou captent de l’énergie : on dit qu’elles contiennent de l’énergie chimique.

-  L’énergie contenue dans une molécule organique peut être libérée par une réaction chimique : on parle d’énergie chimique.

-  Les hydrocarbures et les alcools constituent des stocks d’énergie chimique.

-  Les réactions de combustion permettent d’obtenir de l’énergie thermique.

-  On doit à Lavoisier l’interprétation des phénomènes de combustion comme des réactions d’oxydoréduction.

-  L’énergie chimique dépend des liaisons rompues et formées au cours d’une réaction chimique.

-  Une réaction de combustion est toujours exothermique : le système chimique libère de l’énergie.

2)- Combustion et pollution.

-  Les réactions de combustion émettent des gaz polluants à effet de serre.

-  L’augmentation de leur concentration dans l’atmosphère terrestre serait à l’origine du réchauffement climatique récent

-  En conséquence, les réactions de combustion participent au réchauffement climatique.

-  Il existe plusieurs gaz à effet de serre (GES) .

-  Le dioxyde de carbone CO₂ est le plus connu.

-  Il sert de référence.

-  Par  exemple, le méthane présent dans le gaz naturel est aussi un gaz à effet de serre :

-  Équivalence : 1 kg de méthane CH₄  agit comme l’équivalent de 21 kg de CO₂.

-  Malheureusement, l’utilisation de ce combustible produit énormément de dioxyde de carbone, gaz à effet de serre.

-  Des méthodes de « captage-stockage », pour empêcher le dioxyde de carbone de s’échapper dans l’atmosphère, sont à  l’étude.

-  Les méthodes de captage différent selon le type de centrale utilisé.

-  Dans les centrales classiques qui brûlent du charbon pour transformer l’eau liquide en vapeur pour faire tourner des turbines génératrices d’électricité, le captage ne peut se faire qu’en sortie de cheminée.

-  L’utilisation des biodiesels pourrait permettre de réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) jusqu’à 50 % (du puits à la roue) par rapport aux combustibles fossiles dans lesquels ils sont incorporés.

IV- Applications.

1)- Le pouvoir calorifique d’un combustible : L'éthanol

Énoncé et correction

a)-  Introduction :

-  On utilise une canette ayant contenu une boisson (33 cl)

-  Cette  canette est remplie d’une quantité connue d’eau.

-  L’ensemble est chauffé à l’aide d’une  lampe à éthanol.

-  On mesure la masse de la lampe au début et à la fin de la manipulation.

-  On mesure également, l’élévation de température.

-  On en déduit expérimentalement la valeur de la chaleur de combustion.

-  Données :

-  Capacité thermique massique de l’aluminium : C_al = 0,897 J . kg^–1 . ° C^–1

-  Température de vaporisation de l’éthanol sous la pression atmosphérique : θ_i = 79 ° C

-  Chaleur latente de vaporisation de l’éthanol : Lv = 855 kJ . kg^–1

-  Pour le calcul des quantités de chaleur Q :

-  Un objet de masse m dont la température varie de θ_i à θ_f sans changer d’état physique est le siège d’un transfert d’énergie Q :

-  Masse molaire atomique du carbone : M (C) = 12,0 g . mol^–1

-  Masse molaire atomique de l’hydrogène : M (H) = 1,01 g . mol^–1

-  Masse molaire atomique de l’oxygène : M (O) = 16,0 g . mol^–1

-  L’éthanol est un alcool primaire qui est utilisé dans le domaine médical comme antiseptique (gel hydroalcoolique).

-  Il est utilisé en parfumerie comme solvant.

-  L’éthanol est un biocarburant car il est produit à partir de matières premières agricoles (betterave, maïs, canne à sucre,…).

-  Alcool primaire : CH₃ – CH₂ – OH

-  L’éthanol est aussi un combustible utilisé pour chauffer l’habitat et plus connu sous son nom d’usage  d’alcool.

-  On le trouve dans certaines lampes, des chauffe-plats et certains poêles d’appoint.

-  Sa combustion donne une flamme bleutée.

b)-  Protocole expérimental :

-  Schéma du montage :

c)-  Expérience.

  Le protocole :

-  Peser la lampe à éthanol et noter sa masse m_i

-  Préparer  200 mL d’eau du robinet.

-  Remplir la canette avec les 200 mL d’eau

-  Suspendre la canette, introduire la sonde du thermomètre et noter alors la température initiale θ_i (attendre l’équilibre thermique)

-  Introduire la lampe à alcool sous le bécher et allumer la lampe. 

-  Surveiller la température de l’eau et arrêter le chauffage quand la température est d’environ 20° C supérieure à la température initiale.

-  Noter la température finale, (θ_f) après avoir homogénéiser l’eau (c’est la température maximale atteinte).

-  Peser la lampe à alcool et noter sa masse finale m_f.

-  En déduire la masse m d’éthanol consommée.

-  Indiquer le fonctionnement de la lampe à alcool et préciser le rôle de la mèche présente dans la lampe :

-  Les mesures :

d)-  Exploitation des mesures :

-  Calculer la masse m d’éthanol consommé.

-  Calculer la masse molaire M de l’éthanol.

-  Calculer la quantité de matière n d’éthanol consommé.

-  Calculer la masse m_eau d’eau chauffée.

-  Calculer la quantité de chaleur Q₁ qui sert à chauffer l’eau.

-  Calculer la quantité de chaleur Q₂ qui sert à chauffer la canette d’aluminium.

-  Calculer la quantité de chaleur Q dégagée par la combustion de l’éthanol en kJ.

e)-  Étude de la réaction de combustion :

-  On considère que la combustion de l’éthanol est complète.

-  Écrire l’équation de la combustion de l’éthanol.

-  Réaliser un tableau d’avancement.

-  Calculer l’énergie molaire de combustion E_comb de l’éthanol.

-  Structure moléculaire des molécules des réactifs et des produits :

-  Quelques énergies de liaisons :

-  Comparer cette valeur à celle déterminée expérimentalement et conclure.

2)- QCM.

QCM réalisé avec le logiciel Questy

Pour s'auto-évaluer

Sous forme de tableau

3)- Exercices.

 

Exercices : DS 1)- Exercice 03 page 164 : Écrire l’équation d’une réaction de combustion. 2)- Exercice 05 page 164 : Calculer une énergie libérée. 3)- Exercice 07 page 164 : Déterminer une énergie de liaison. 4)- Exercice 08 page 164 : Estimer une énergie de combustion. 5)- Exercice 09 page 165 : Choisir un combustible. 6)- Exercice 11 page 165 : Élimination du CO2 d’un véhicule GPL. 7)- Exercice 12 page 165 :Composition du carburant E15. 8)- Exercice 15 page 166 : Valeur énergétique d’une amande. 9)- DS N° 01 : Exercice 16 page 167 : Quel carburant pour les véhicules « flex-fuel » ? (40 min) 10)- DS N° 02 : Exercice 17 page 167 : À propos du « gaz à l’eau » (15 min)