DS. N° 09 Réactions de combustion

DS. N° 09

Les réactions de combustion

DS N° 01 : Quel carburant pour les véhicules « Flex-fuel » ? (40 min)

DS N° 02 : À propos du « gaz à l’eau » (15 min)

DS N° 01 : Quel carburant pour les véhicules « Flex-fuel » ? (40 min)

L’essence, combustible fossile, peut être assimilée à l’octane C₈H₁₈.

L’éthanol C₂H₆O est un agrocarburant. Les véhicule dits « Flex-fuel », permettent l’utilisation d’un carburant très riche en éthanol, nommé superéthanol.

Ils fonctionnent aussi à l’essence et consomment en moyenne 6,50 L d’essence au 100 km.

1. Écrire les équations de combustion complète de l’éthanol et de l’octane.

2. Montrer que la masse de CO₂ rejeté lors de la combustion d’un litre d’éthanol est de 1,51 × 10³ g.

3. En déduire la masse de CO₂ rejeté par 1,0 litre de superéthanol contenant en volume 85,0 % d’éthanol et 15,0 % d’essence.

4. La surconsommation liée à l’utilisation du superéthanol s’évalue par rapport à la consommation d’un moteur essence.

Justifier qualitativement qu’il n’est pas judicieux de dépasser le pourcentage volumique de 85,0 % dans un carburant d’un véhicule dit « Flex-fuel »

A. Surconsommation d’un véhicule « Flex-fuel ».

5. Déterminer graphiquement le pourcentage de surconsommation lié à l’utilisation du superéthanol.

6. En déduire la consommation moyenne ( en L pour 100 km) d’un véhicule « Flex-fuel » utilisant le superéthanol.

7. Calculer pour chaque carburant, essence et superéthanol, la masse de dioxyde de carbone rejeté pour 1,0 km.

8. Attribuer la lettre d’émission de CO₂ pour ce véhicule « Flex-fuel » s’il fonctionne avec de l’essence ou avec le superéthanol.

B. Étiquette d’émission pour un véhicule :

Étiquette d’émission pour un véhicule

- L’étiquette d’émission permet d’être renseigné sur les émissions de CO₂ des voitures neuves.

- Elle comporte un classement de la lettre A à la lettre G.

- La lettre A caractérisant un véhicule qui émet le moins de CO₂.

- La lettre G caractérisant un véhicule qui en émet le plus.

- Données :

- ρ (C₂H₆O) = 789 g . L^–1

- M (C₂H₆O) = 46,0 g . mol^–1

- M (CO₂) = 44,0 g . mol^–1

- Rejet de CO₂ par litre d’essence consommé : 2310 g

Correction

DS N° 02 : À propos du « gaz à l’eau » (15 min)

Le gaz à l’eau est un mélange de gaz de synthèse produit par action de l’eau sur du charbon incandescent.

La transformation chimique est modélisée par la réaction d’équation :

H₂O (g) + C (s)

→

CO (g) + H₂ (g) (a)

Pour une mole de carbone, cette transformation nécessite un apport d’énergie E₁ = 131 kJ . mol^–1.

1. La réaction (a) est-elle endothermique ou exothermique ?

2. Le mélange gazeux formé peut être utilisé pour produire de l’énergie.

La combustion du mélange correspond aux réactions suivantes :

CO (g) + ½ O₂ (g)

→

CO₂ (g) (b)

H₂ (g) + ½ O₂ (g)

→

H₂O (g) (c)

- L’énergie molaire de combustion E₃ de la réaction (c) vaut E₃ = – 243 kJ . mol^–1.

a. Calculer l’énergie molaire de combustion E₂ de la réaction (b).

b. En analysant les réactifs et les produits des trois réactions, déduire l’énergie molaire de combustion E₄ du gaz à l’eau obtenu à partir d’une mole de carbone C (s).

- Données :

Liaison

O = O

C = O

Énergie de liaison

(kJ . mol^–1)

1078

496

796

- Schéma de Lewis de CO :

Correction

DS N° 01 : Quel carburant pour les véhicules « flex-fuel » ? (40 min)

1. Les équations de combustion complète de l’éthanol et de l’octane.

C₂H₆O (ℓ) + 3 O₂ (g)

→

2 CO₂ (g) + 3 H₂O (g)

1 C₈H₁₈ (g) + 25/2 O₂ (g)

→

8 CO₂ (g) + 9 H₂O (g)

2. Masse de CO₂ rejeté lors de la combustion d’un litre d’éthanol.

- Masse m de 1,00 L d’éthanol :

- m = ρ (C₂H₆O) . V

- Quantité de matière n d’éthanol ayant réagi :

- relation

- Tableau d’avancement de la réaction de combustion :

Équation		C₂H₆O (ℓ)	+ 3 O₂ (g)	→	2 CO₂ (g)	+ 3 H₂O (g)
État du système	Avancement		Excès
État initial (mmol)	x = 0	n	Excès		0	0
Au cours de la transformation	x	n – x	Excès		2 x	3 x
État final (mmol)	x_max = n	0	Excès		2 n	3 n

- Tableau simplifié :

Équation	C₂H₆O (ℓ)	+ 3 O₂ (g)	→	2 CO₂ (g)	+ 3 H₂O (g)
Quantité de matière	n (C₂H₆O)	n (O₂)		n (CO₂)	n (H₂O)
Coefficients stœchiométriques	1	3		2	3

- On retrouve la relation qui lie les quantités de matière :

- Pour n mole d’éthanol brûlé, il se forme 2 n moles de dioxyde de carbone.

- n (CO₂) = 2 n

- Quantité de matière de dioxyde de carbone formé :

- Et enfin, masse de CO₂ rejeté lors de la combustion d’un litre d’éthanol :

- m (CO₂) = n (CO₂) . M (CO₂)

- Application numérique :

- m (CO2) = 1,15 E3 g

- Ce résultat est bien en accord avec la valeur donnée dans l’énoncé.

3. Masse de CO₂ rejeté par 1,0 litre de superéthanol :

- Composition du superéthanol : en volume : 85,0 % d’éthanol et 15,0 % d’essence.

- On peut considérer que 1,00 litre de superéthanol contient :

- 0,850 L d’éthanol et 0,150 L d’essence.

- Masse m_eth de CO₂ rejeté par la combustion de 0,850 L d’éthanol :

- m_eth = 1,51 × 10³ ×0,850

- m_eth ≈ 1,28 × 10³ g

- Masse m_ess de CO₂ rejeté par la combustion de 0,15 L d’essence.

- m_ess = 2310 × 0,150

- m_ess ≈ 3,465 × 10² g

- m_ess ≈ 3,47 × 10² g

- Masse m de CO₂ rejeté par 1,0 litre de superéthanol :

- m = m_eth + m_ess

- m ≈ 1,28 × 10³ + 3,47 × 10²

- m ≈ 1,63 × 10³ g

- m ≈ 1,63 kg

4. Justification qualitative du pourcentage volumique de 85,0 % d’éthanol

- Sur le graphique, on remarque que lorsque le pourcentage d’éthanol dépasse 85,0 %, dans le carburant, la surconsommation augmente très fortement.

5. Détermination graphique du pourcentage de surconsommation lié à l’utilisation du superéthanol.

- Exploitation graphique :

exploitation graphique

- Graphiquement, la surconsommation avec le superéthanol à 85 %, atteint environ 37 %.

6. Consommation moyenne d’un véhicule « Flex-fuel » utilisant le superéthanol.

- Le véhicule « Flex-fuel » consomme en moyenne 6,50 L d’essence au 100 km.

- S'ils utilisent le superéthanol, il vont avoir une surconsommation.

- Pour le superéthanol à 85,0 % d’éthanol, la surconsommation est d’environ 37,0 %.

- Consommation c_sup de superéthanol pour 100 km :

- c sup = 8,91 L

- Le véhicule « Flex-fuel » consomme en moyenne 8,91 L de superéthanol au 100 km

7. Masse de dioxyde de carbone rejeté pour 1,0 km par l’essence et le superéthanol :

- La masse m_ess (CO₂) de dioxyde de carbone rejeté pour 1,0 km par l’essence :

- Le véhicule consomme 6,50 L d’essence au 100 km

- D’autre part,

- Rejet de CO₂ par litre d’essence consommé : 2310 g

- m (CO2) = 150 g / km

- La masse m_sup (CO₂) de dioxyde de carbone rejeté pour 1,0 km par le superéthanol :

- Le véhicule « Flex-fuel » consomme en moyenne 8,91 L de superéthanol au 100 km

- Masse m de CO₂ rejeté par 1,0 litre de superéthanol : m ≈ 1,63 × 10³ g = 1,63 kg

- m (CO2) = 145 g / km

8. Attribution de la lettre d’émission de CO₂ pour ce véhicule « Flex-fuel »

- Choix de l’étiquette :

étiquette

- Cas du fonctionnement avec de l’essence :

- 141 g / km ≤ m_ess (CO₂) ≤ 160 g / km : Étiquette classe D

- Cas du fonctionnement avec le superéthanol :

- 141 g / km ≤ m_sup (CO₂) ≤ 160 g / km : Étiquette classe D

DS N° 02 : À propos du « gaz à l’eau » (15 min)

1. La réaction (a) endothermique ou exothermique :

- Pour une mole de carbone, cette transformation nécessite un apport d’énergie

- E₁ = 131 kJ . mol^–1.

- La réaction est endothermique, elle absorbe de l’énergie.

2. La combustion du mélange correspond aux réactions suivantes :

CO (g) + ½ O₂ (g)

→

CO₂ (g) (b)

H₂ (g) + ½ O₂ (g)

→

H₂O (g) (c)

- L’énergie molaire de combustion E₃ de la réaction (c) vaut

- E₃ = – 243 kJ . mol^–1.

a. Énergie molaire de combustion E₂ de la réaction (b).

CO (g) + ½ O₂ (g)

→

CO₂ (g) (b)

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

- C’est une grandeur négative :

- E₂ < 0

- Unité : joule par mole (J . mol^–1)

- Au cours de la combustion d’une mole de monoxyde de carbone,

- Les liaisons rompues :

- 1 × 1 moles de liaisons

- ½ × 1 mole de liaison O = O

- E_ℓrompues = 1 × E_ℓ () + ½ × E_ℓ (O = O)

- E_ℓrompues = 1 × 1078 + ½ × 496

- E_ℓ_rompues ≈ 1,346 × 10³ kJ . mol^–1

- E_ℓ_rompues ≈ 1,35 × 10³ kJ . mol^–1

- Au cours de la combustion d’une mole de monoxyde de carbone,

- Les liaisons formées :

- 1 × 2 moles de liaisons C = O

- E_ℓformées = 2 × E_ℓ (C = O)

- E_ℓformées = 2 × 796

- E_ℓformées = 1,592 × 10³ kJ . mol^–1

- E_ℓformées = 1,59 × 10³ kJ . mol^–1

- Énergie molaire de combustion du méthanol :

- E₂ = E_ℓrompues – E_ℓformées

- E₂ ≈ 1,35 × 10³ – 1,59 × 10³

- E₂ ≈ – 266 kJ . mol^–1

b. Énergie molaire de combustion E₄ du gaz à l’eau obtenu à partir d’une mole de carbone C (s).

- La réaction de combustion du carbone C (s) résulte de la combinaison des réaction (a), (b) et (c).

H₂O (g)	+ C (s)	→	CO (g)	+ H₂ (g)	(a)
CO (g)	+ ½ O₂ (g)	→	CO₂ (g)		(b)
H₂ (g)	+ ½ O₂ (g)	→	H₂O (g)		(c)
C (s)	+ O₂ (g)	→	CO₂ (g)

- E₄=E_{1 +}E₂₊ E₃

- E₄≈131– 266 – 243

- E₄≈ – 378 kJ . mol^–1