Activité n°2 : Étude de la combustion

Titre de l'activité : Activité n°2 : Étude de la combustion - [Chap. Les combustions]

Durée : 2h

Compétences

ANA - Exploiter ses connaissances, les informations extraites ou les résultats obtenus
ANA - Proposer une stratégie pour répondre à la problématique
APP - Rechercher et extraire l'information
APP - Connaître le vocabulaire, les symboles et les unités mise en œuvre
APP - Mobiliser les connaissances en rapport avec le problème
RÉA - Suivre une procédure, un mode opératoire
RÉA - Calculer, utiliser une formule
RCO - Restituer des connaissances
COM - Rendre compte à l'écrit ou à l'oral

Notions

Distinguer carburant et comburant.
Vocabulaire et définitions : Composition des carburants usuels et alternatifs
Écrire et exploiter les équations chimiques des réactions de combustion de carburants (hydrocarbures).
Vocabulaire et définitions : Combustions ; combustibles ; comburants
Évaluer, à l’aide d’une formule fournie, l’énergie libérée lors d’une combustion à pression constante (variation d’enthalpie).
Vocabulaire et définitions : Aspects énergétiques associés à la combustion ; ordres de grandeurs
Vocabulaire et définitions : Combustion complète et incomplète

🔖 Définitions ⚓

🔖 Qu’est-ce qu’une combustion ?⚓

Question⚓

Q1. Dans quelle catégorie peut-on classer les combustions ?

Solution ⚓

Q1.

Les combustions font parties des réactions chimiques.

Question⚓

Q2. Comment appelle-t-on les espèces chimiques qui réagissent lors d’une combustion ?

Solution ⚓

Q2.

Les espèces qui réagissent se nomment le combustible et le comburant.

Question⚓

Q3. Donner une définition de ces deux appellations ?

Solution ⚓

Q3.

Combustible : espèce chimique qui brule.
Comburant : espèce chimique qui permet la combustion.

Question⚓

Q4. Donner un exemple de ces deux types de réactifs.

Solution ⚓

Q4.

Exemple de combustible : l’essence, le gaz, le bois, etc…
Exemple de comburant : le dioxygène de l’air.

Question⚓

Q5. Une combustion peut-elle commencer spontanément ?

Solution ⚓

Q5.

Non il faut un apport d’énergie pour que la combustion puisse commencer. (Exception du dihydrogène dans l’air.)

Question⚓

Q6. Quelles peuvent-être les sources de cette énergie d’activation ?

Solution ⚓

Q6.

Une flamme ou une étincelle peuvent être la source de l’énergie d’activation.

📌 Définition à savoir

📌 Le triangle du feu

Question⚓

Q8. Tracer dans l'espace suivant ce qu’on appelle le triangle du feu.

Question⚓

Q9. Que peut-on dire des combustions d’un point de vue énergétique.

Solution ⚓

Q9.

La combustion fournit de l’énergie thermique au milieu extérieur (et émet généralement de la lumière).

🔥 Les différents types de combustibles ⚓

Question⚓

Q10. Sous quel état peut-on trouver des combustibles ?

Solution ⚓

Q10.

On peut trouver des combustibles solides, liquides ou gazeux.

Question⚓

Q11. Lequel de ces états peut-il réellement bruler ?

Solution ⚓

Q11.

Seul le combustible gazeux peut brûler.

📌 Définition à savoir

Question⚓

Q14. Quels sont les combustibles solides et liquides les plus utilisés ?

Solution ⚓

Q14.

Le bois, le charbon sont les combustibles solides les plus utilisés.
Les hydrocarbures sont les combustibles liquides les plus utilisés.

Question⚓

Q15. Pourquoi l’uranium et les autres corps radioactifs ne sont pas des combustibles au sens précis du terme pour les combustions ?

L'uranium et les autres corps radioactifs, qui produisent de l'énergie par fission nucléaire, ne sont pas des combustibles au sens précis du terme car, lors de leur utilisation, ils ne participent à aucune réaction de combustion. Ils participent à ce qu’on appelle des réactions nucléaires ne faisant intervenir que le noyau des éléments, pas leurs électrons.

🔥 Combustions complètes et incomplètes ⚓

Complément : Document n°1 : La combustion du butane

On utilise un briquet pour observer la combustion du butane. Après amorçage grâce à des étincelles, le butane brûle à la sortie d'un briquet au contact du dioxygène.

Cette combustion est réalisée dans des conditions différentes :

avec un faible débit de butane (le butane est libéré lentement par le briquet).
avec un fort débit de butane (le butane est libéré rapidement).

Expérience 1 : faible débit de butane

Expérience 2 : fort débit de butane

En plaçant une coupelle blanche au-dessus de la flamme il se forme un dépôt noir constitué de carbone.

Question⚓

Q16. Quels sont les produits de la combustion de l’expérience 1 ? Quel est le type de combustion ?

Solution ⚓

Q16.

Les produits de la combustion qui peuvent être mis en évidence sont le dioxyde de carbone et l'eau.

Dans ces conditions, la combustion est complète.

Question⚓

Q17. Quels sont les produits de la combustion de l’expérience 2 ?

Solution ⚓

Q17.

Au dioxyde de carbone et à l'eau s'ajoutent d'autres produits : le carbone, dont on peut montrer la présence, mais aussi le monoxyde de carbone.

Question⚓

Q18. Comment interpréter cela ?

Solution ⚓

Q18.

Lorsque le débit de butane est trop important, le dioxygène présent dans l'air est insuffisant pour le brûler complètement : on dit que la combustion est incomplète.

Question⚓

Q19. Comment reconnaître une combustion incomplète ?

Solution ⚓

Q19.

Lors d'une combustion incomplète, la flamme prend une couleur jaune.

Lorsque la quantité de carbone produite par une combustion incomplète est importante, il se forme une fumée noire.

Question⚓

Q20. Quelles doivent être les conditions pour avoir une combustion incomplète ?

Solution ⚓

Q20.

La quantité du dioxygène doit être insuffisante par rapport à celle du combustible.

Et le combustible peut être le butane (ou un autre gaz naturel : méthane, éthane, propane), du papier, du carton, une matière plastique, de l'huile, de l'alcool ou tout autre composé dit « organique ».

Question⚓

Q21. Quels sont les produits d’une combustion incomplète ?

Solution ⚓

Q21.

En plus des produits de la combustion complète (eau et dioxyde de carbone), il apparaît du carbone et du monoxyde de carbone.

Question⚓

Q22. Écrire l’équation de réaction de la combustion complète du butane $\ce{C4H_{10\ (g)}}$.

Solution ⚓

Q22.

$\ce{2\ C4H_{10\ (g)} + 13\ O_{2\ (g)} -> 8\ CO_{2\ (g)} + 10\ H2O_{\ (g)}}$

Question⚓

Q23. Écrire l’équation de réaction de la combustion incomplète du butane $\ce{C4H_{10\ (g)}}$.

Solution ⚓

Q23.

$\ce{\ C4H_{10\ (g)} + 4\ O_{2\ (g)} -> CO_{2\ (g)} + 2 C_{\ (s)} + CO_{(g)} + 5\ H2O_{\ (g)}}$

🥼 Les réactions de combustions et les équations chimiques ⚓

⚛️ La réaction de combustion du méthane ⚓

Complément : Document n°2 : La combustion du méthane

La combustion complète d’un hydrocarbure (exemple le méthane) avec le dioxygène de l’air, conduit à la formation de dioxygène de carbone et d’eau.

Exemple :

Les chaudières à condensation à gaz utilisant comme combustible le méthane. (L’aspect « condensation » sera étudié dans une autre activité).

Équation de réaction de la combustion complète du méthane :

$\ce{CH_{4\ (g)} + 2\ O_{2\ (g)} -> CO_{2\ (g)} + 2\ H_2O_{(g)}}$

Lors d’une combustion, les quantités de matières initiales (en mole) doivent être dans les proportions stœchiométriques de l’équation de la réaction.

Les quantités de matières des réactifs diminuent, tandis que celles des produits augmentent. Pour cela, on utilise un tableau d’avancement.

Question⚓

Q24. Dans le cas où on utilise $0,1\ \mathrm{mol}$ de méthane, déterminer les quantités de matières en dioxygène nécessaire à la combustion complète du méthane ainsi que celles des produits formés. Il faudra utiliser un tableau d’avancement.

Solution ⚓

Q24.

Lors de la combustion complète de $0,1\ \mathrm{mol}$ méthane, la quantité de matière en dioxygène consommée sera 2 fois plus importante que celle en méthane car une molécule de méthane réagit avec deux molécules de dioxygène.

Donc $\left(n_{\ce{O2}}\right)_i=0,2\ \mathrm{mol}$.

Détermination de $x_\text{max}$ :

Si $\ce{CH4}$ est le réactif limitant :
$0,1-x_\text{max}=0 \ \ \Leftrightarrow \ \ x_\text{max}=0,1\ \mathrm{mol}$
Si $\ce{O2}$ est le réactif limitant :
$0,2-2\ x_\text{max}=0\ \ \Leftrightarrow \ \ x_\text{max}=0,1\ \mathrm{mol}$

L’avancement maximal est la plus petite des valeurs calculées précédemment, on a donc $x_\text{max}=0,1\ \mathrm{mol}$.

On est dans le cas où tous les réactifs ont totalement réagi. Il n’y a pas de réactif limitant. Les réactifs ont été mis dans les proportions stœchiométriques.

Dans ce cas précis de combustion dans l’air, le dioxygène est considéré en excès car il y en a une quantité quasi infinie. On peut alors considérer que le réactif limitant est le méthane.

Il se forme donc $\left(n_{\ce{CO2}}\right)_f=0,1\ \mathrm{mol}$ et $\left(n_{\ce{H2O}}\right)_f=0,2\ \mathrm{mol}$.

💪 Petit exercice ⚓

Le biodiesel ou carburant diester est un biocarburant issu des graines de plantes pouvant produire de l'huile, telles que le colza ou encore le tournesol. L'EMC (éther méthylique de colza) est l'un de ces biocarburants. Sa formule brute est $\ce{C19H34O2}$.

Question⚓

Q25. Écrire l'équation de combustion complète de l'EMC avec le dioxygène.

Solution ⚓

Q25.

$\hspace{10mm} \large \ce{C19H34O_{2\ (g)} + \dfrac{53}{2}\ O_{2\ (g)} -> 19\ CO_{2\ (g)} + 17\ H2O_{(g)}}$

$\hspace{10mm} \large \ce{2\ C19H34O_{2\ (g)} + 53\ O_{2\ (g)} -> 38\ CO_{2\ (g)} + 34\ H2O_{(g)}}$

Le kérosène est un carburant constitué des molécules suivantes :$\ce{C10H22}$, $\ce{C11H24}$, $\ce{C12H26}$, $\ce{C13H28}$, $\ce{C14H30}$.

Question⚓

Q27. Écrire les équations de réaction de combustion de ces différentes molécules.

Question⚓

Q28. Écrire l’équation de réaction de combustion du 2,3-diméthylpentan-1,2,3-triol de formule brute : $\ce{C5H16O3}$.

⚡️ Aspect énergétique ⚓

⚡️ Énergie libérée mors d’une combustion ⚓

📌 Définition à savoir

⚡️ Énergie de combustion ⚓

📌 Définition à savoir

Complément : 👉🏻 Remarques

Nous étudierons le pouvoir calorifique inférieur PCI et le pouvoir calorifique supérieur PCS dans une autre activité.
Les valeurs étant relativement importantes, on utilise souvent le $\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$.
Il est parfois plus intéressant pour comparer les combustibles de prendre comme référence la masse plutôt que la quantité de matière, on utilise le pouvoir calorifique.
Pour le quotidien, il est utile de connaitre les valeurs d'énergies de combustion en $\mathrm{J\cdot L^{-1}}$ puisque les réservoirs des cuves sont donnés en litre.
Il n'est cependant pas possible de comparer ces énergies entre gaz et liquides.

Exemple : ... d’énergie de combustion pour quelques combustibles :

♨️ Chauffage d'un corps ⚓

Rappel : 📌 Définition à savoir

Lors d’une variation de température $\Delta\theta$ d’un corps de masse $m$, l’énergie $Q$ du transfert thermique s’exprime par :

\[\begin{array}{lcl} {\fcolorbox{red}{white}{$ {\Large \color{red}\ \ \ \mathbf{ Q = m \cdot c \cdot \Delta \theta } \ \ \ } $}} & \textsf{ avec :} & \begin{array}{|lcl} {\large\ \mathbf{Q} } & \textsf{:} & { \textsf{énergie du transfert thermique } \left(\ \mathrm J \ \right) }\\ {\large\ \mathbf{m} } & \textsf{:} & {\textsf{masse } \left(\ \mathrm{kg} \ \right) } \\ {\large\ \mathbf{c} } & \textsf{:} & {\textsf{capacité thermique massique } \left(\ \mathrm{J\cdot kg^{-1}\cdot ^\circ C^{-1} } \ \right) } \\ {\large\ \mathbf{\Delta \theta} } & \textsf{:} & \textsf{variation de température } \left(\ \mathrm{^\circ C^{-1}} \textsf{ ou } \mathrm{K^{-1} } \ \right) \\ & & \textsf{tel que } \large \Delta\theta=\theta_f-\theta_i \end{array} \end{array} \]

La valeur du transfert thermique est positive si le corps reçoit de la chaleur et négative s’il en donne.

L’énergie nécessaire au changement d’état d’un corps de masse $m$ est :

\[\begin{array}{lcl} {\fcolorbox{red}{white}{$ {\Large \color{red}\ \ \ \mathbf{ Q = m \cdot L } \ \ \ } $}} & \textsf{ avec :} & \begin{array}{|lcl} {\large\ \mathbf{Q} } & \textsf{:} & { \textsf{énergie du transfert thermique } \left(\ \mathrm J \ \right) }\\ {\large\ \mathbf{m} } & \textsf{:} & {\textsf{masse } \left(\ \mathrm{kg} \ \right) } \\ {\large\ \mathbf{L} } & \textsf{:} & {\textsf{chaleur latente de changement d’état } \left(\ \mathrm{J\cdot kg^{-1}} \ \right) } \end{array} \end{array} \]