1Combustion complète d’un combustible organique
Définition. Une combustion est une transformation entre un combustible (alcane, alcool, dihydrogène : le réducteur) et un comburant, le dioxygène de l’air (l’oxydant) : c’est une réaction d’oxydoréduction, exothermique et rapide, entretenue par une source de chaleur (triangle du feu : combustible, comburant, énergie d’activation).
Propriété — combustion complète. les seuls produits sont le dioxyde de carbone et l’eau :
Pour un alcool, on tient compte de l’atome d’oxygène déjà présent : .
Notation. Tests des produits : le trouble l’eau de chaux ; l’eau fait bleuir le sulfate de cuivre anhydre (blanc).
Définition. Une combustion incomplète se produit lorsque le dioxygène est en défaut : il se forme aussi du carbone (suies, flamme jaune et éclairante) et du monoxyde de carbone , gaz incolore et inodore, très toxique (il se fixe sur l’hémoglobine à la place du dioxygène). Une partie de l’énergie du combustible n’est pas libérée : la combustion incomplète est moins efficace et dangereuse — d’où l’entretien des appareils et l’aération des locaux.
2Énergie molaire de réaction
Définition. L’énergie de liaison est l’énergie qu’il faut fournir pour rompre une mole de liaisons , les espèces étant à l’état gazeux (en , toujours positive). La former libère la même énergie.
Propriété. L’énergie molaire de réaction , pour la réaction telle qu’elle est écrite, s’estime par
: la réaction est exothermique (elle cède de l’énergie au milieu extérieur) ; : endothermique. Pour une combustion, on écrit l’équation avec le coefficient 1 devant le combustible (quitte à avoir un coefficient fractionnaire devant ) : est alors l’énergie molaire de combustion, rapportée à une mole de combustible, et l’énergie libérée par moles de combustible vaut (en si est en ).
3Pouvoir calorifique et bilan d’énergie
Définition. Le pouvoir calorifique massique PC d’un combustible est l’énergie libérée par la combustion complète d’un kilogramme (ou d’un gramme) de ce combustible :
avec rapportée à une mole de combustible et la masse molaire du combustible ; .
Méthode — calorimétrie. l’énergie reçue par une masse d’eau dont la température s’élève de vaut . Le rendement du dispositif est , où est l’énergie libérée par le combustible brûlé : il est toujours inférieur à 1 (pertes vers l’air, le récipient, vapeur d’eau emportée).
4Enjeux énergétiques et environnementaux
Propriété. La combustion d’un combustible fossile (gaz naturel, pétrole, charbon) libère du , gaz à effet de serre. Pour comparer deux carburants, on calcule la masse de émise par unité d’énergie libérée : , de l’ordre de pour le méthane et de pour l’heptane : plus la molécule est riche en hydrogène, moins elle émet.
Remarque. Les biocarburants, issus de la biomasse, rejettent du qui a été prélevé dans l’atmosphère par les plantes ; leur bilan dépend de l’énergie dépensée pour les produire et de l’usage des terres. Le dihydrogène a un pouvoir calorifique élevé () et ne produit que de l’eau : , mais il n’est propre que s’il est produit sans émettre de .
| Liaison | () | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| () |
• () : : ; : ; : • • PC : méthane , essence , dihydrogène .
5Savoir-faire du chapitre
- Écrire et ajuster l’équation de la combustion complète d’un alcane ou d’un alcool, et celle d’une combustion incomplète.
- Dénombrer les liaisons rompues et formées, puis estimer l’énergie molaire de réaction et conclure sur son caractère exothermique.
- Calculer un pouvoir calorifique, l’énergie libérée par une masse de combustible, et la masse de combustible nécessaire à un besoin donné.
- Exploiter une expérience de calorimétrie : énergie reçue par l’eau, rendement du dispositif.
- Comparer deux combustibles par leur pouvoir calorifique et par la masse de émise par unité d’énergie.
6Exemples types
Pour : on rompt 4 liaisons et 2 liaisons , on forme 2 liaisons et 4 liaisons . D’où : la combustion est exothermique.
Avec : , soit . Brûler de méthane libère (deux chiffres significatifs, comme la masse), soit environ .
Sur une plaque au gaz, d’eau passe de à en brûlant de méthane (). et , donc .
La combustion de de méthane libère et produit de , soit : l’émission vaut . Pour l’heptane (, de ) : .
- Oublier d’ajuster l’équation, ou laisser des coefficients fractionnaires quand on demande les plus petits entiers.
- Inverser le signe : est la somme des énergies des liaisons rompues moins celle des liaisons formées ; une combustion donne toujours .
- Confondre (par mole, en ) et PC (par gramme, en ) : passer de l’une à l’autre exige la masse molaire.
- Utiliser les énergies de liaison sans préciser que toutes les espèces sont gazeuses : l’eau liquide libérerait davantage d’énergie.
- Croire qu’une combustion incomplète libère autant d’énergie : une partie reste stockée dans et dans les suies.