Combustions et énergie
Combustion complète et incomplète, énergie molaire de combustion, pouvoir calorifique, énergies de liaison et enjeux environnementaux.
1. Les combustions
Définition
Une combustion est une transformation chimique entre un combustible (bois, gaz, essence, alcool…) et un comburant (le dioxygène), qui libère de l'énergie thermique : elle est exothermique.
Propriété · Combustion complète
La combustion complète d'une espèce contenant C, H (et O) produit du dioxyde de carbone et de l'eau. Exemple : $\text{C}_2\text{H}_6\text{O} + 3\,\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{CO}_2 + 3\,\text{H}_2\text{O}$.
Attention · Combustion incomplète
Si le dioxygène manque, il se forme aussi du monoxyde de carbone CO (gaz incolore, inodore et mortel) et des suies (carbone). D'où l'importance d'aérer et d'entretenir les appareils de chauffage.
2. Énergie libérée
Définition · Énergie molaire de combustion
L'énergie molaire de combustion $E_\text{comb}$ (en kJ/mol) est l'énergie libérée par la combustion d'une mole de combustible. L'énergie libérée par $n$ mol est $Q = n \times |E_\text{comb}|$.
Définition · Pouvoir calorifique
Le pouvoir calorifique $PC$ est l'énergie libérée par la combustion d'un kilogramme de combustible (en MJ/kg) : essence $\approx 47$ MJ/kg, éthanol $\approx 30$ MJ/kg, bois $\approx 15$ MJ/kg, dihydrogène $\approx 120$ MJ/kg.
Propriété · Estimer avec les énergies de liaison
Rompre une liaison demande de l'énergie ; en former une en libère. On estime l'énergie molaire de réaction par : $E_r \approx \sum E(\text{liaisons rompues}) - \sum E(\text{liaisons formées})$. Elle est négative pour une combustion.
Exemple · Combustion du méthane
$\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$. Rompues : $4$ C–H ($4 \times 415$) et $2$ O=O ($2 \times 498$) : $2\,656$ kJ. Formées : $2$ C=O ($2 \times 804$) et $4$ O–H ($4 \times 463$) : $3\,460$ kJ. $E_r \approx 2\,656 - 3\,460 = -804$ kJ/mol.
Expérience · Mesurer l'énergie de combustion de l'éthanol
3. Enjeux
Propriété
La combustion des combustibles fossiles libère du $\text{CO}_2$, gaz à effet de serre responsable du réchauffement climatique. Les biocarburants et le dihydrogène (dont la combustion ne produit que de l'eau) sont des alternatives, à condition d'être produits de façon durable.
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Combustible et comburant
★☆☆Dans la combustion du gaz de ville, quel est le combustible ? le comburant ? Quels sont les produits d'une combustion complète ?
Ajuster une combustion
★☆☆Ajuster la combustion complète du propane $\text{C}_3\text{H}_8$.
Combustion de l'octane
★★☆Ajuster la combustion complète de l'octane $\text{C}_8\text{H}_{18}$ (principal constituant de l'essence).
Monoxyde de carbone
★☆☆Dans quelles conditions se forme le monoxyde de carbone ? Pourquoi est-il dangereux ?
Énergie libérée
★★☆L'énergie molaire de combustion du méthane vaut $890$ kJ/mol. Quelle énergie libère la combustion de $160$ g de méthane ($M = 16$ g/mol) ?
Pouvoir calorifique
★★☆Calculer le pouvoir calorifique du méthane (en MJ/kg) à partir de l'exercice précédent.
Plein d'essence
★★☆Un réservoir contient $40$ L d'essence ($\rho = 0{,}75$ kg/L, $PC = 47$ MJ/kg). Quelle énergie peut libérer sa combustion ?
Énergies de liaison
★★★Estimer l'énergie molaire de combustion du dihydrogène : $2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$ (données : H–H : $436$ ; O=O : $498$ ; O–H : $463$ kJ/mol). Rapporter à une mole de $\text{H}_2$.
Masse de CO₂ produite
★★☆Quelle masse de $\text{CO}_2$ produit la combustion de $1{,}0$ kg de méthane ?
CO₂ par énergie
★★★Comparer la masse de $\text{CO}_2$ émise par MJ produit pour le méthane (voir exercices précédents) et pour le carbone ($\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$, $394$ kJ/mol).
Calorimétrie
★★☆Quelle énergie faut-il pour chauffer $1{,}5$ L d'eau de $20$ à $100\,{}^\circ\text{C}$ ($c = 4\,180$ J/(kg·°C)) ?
Butane et bouilloire
★★★Un réchaud à butane ($E_\text{comb} = 2\,880$ kJ/mol, $M = 58$ g/mol) chauffe l'eau de l'exercice précédent avec un rendement de $40\,\%$. Quelle masse de butane faut-il brûler ?
Exploiter l'expérience
★★☆Dans l'expérience du cours, calculer le rendement du dispositif, sachant que l'énergie molaire de combustion de l'éthanol vaut $1\,370$ kJ/mol.
Dihydrogène
★★☆Pourquoi le dihydrogène est-il présenté comme un carburant d'avenir ? Quel en est l'inconvénient ?
Bois
★☆☆Quelle énergie libère la combustion de $10$ kg de bois ($PC = 15$ MJ/kg) ?
Test des produits
★★☆Comment mettre en évidence les produits de la combustion d'une bougie ?
Signe de l'énergie
★☆☆Pourquoi l'énergie molaire de réaction d'une combustion est-elle négative ?
Biocarburant
★★☆L'éthanol issu de la betterave est dit « neutre en carbone » en première approximation. Expliquer.
Comparer deux combustibles
★★★Pour libérer $1$ MJ, quelle masse faut-il d'éthanol ($30$ MJ/kg) et d'essence ($47$ MJ/kg) ?
Vrai ou faux
★★☆a) Une combustion est endothermique. b) Le monoxyde de carbone est inodore. c) La combustion complète du méthane produit du CO₂ et de l'eau.
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