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T1C09 - Réactions de combustion

Quelques définitions   COURS

Réaction d'oxydo-réduction

Une réaction de combustion est une réaction d'oxydoréduction où :

  • le combustible est le réducteur
  • le comburant (en général O2) est l'oxydant

Définir les termes oxydant et réducteur.

Cette réaction nécessite de l'énergie pour pouvoir démarrer.

Le combustible est en général une molécule contenant les éléments C, H et O (alcanes, alcools). Dans le cas d'une réaction complète, les produits de la combustion sont le dioxyde de carbone et de l'eau.

Combustion de l'éthanol (C2 H5 OH)

C2 H5 OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2 O

Les couples oxRed sont CO2/C2 H6 O et O2/H2 O

  1. Écrire les demi équations électroniques

Ouverture : Les enjeux liés au CO2   AD

Activité 2 p 157 hachette

  3. mu = 167 × 106 t = 167 × 109 kg 

    mu = 167e9    # kg
Mu = 60.0e-3  # kg/mol
Mc = 44.0e-3  # kg/mol

Nu = mu/Mu
# Nu/Nc = 0.9 => Nc = 0.9 Nu
Nc =  Nu / 0.9
mc = Nc * Mc
print("La masse de carbone est mc = {:.2e} kg = {:.2e} t".format(mc, mc*1e-3))

    La masse de carbone est mc = 1.36e+11 kg = 1.36e+08 t

Lien entre combustion et énergie   COURS

Énergie molaire de réaction

Lors de la combustion, des liaisons covalentes sont détruites et d'autres sont créées. L'énergie molaire de réaction (Er) est définie par

\(E_r = E_d - E_f\)

où Ed représente l'énergie nécessaire à apporter pour casser les liaisons covalentes (dissociation des atomes), et Ef l'énergie récupérée lors de la formation de nouvelles liaisons. Er, Ed et Ef sont des énergies molaire et s'expriment en J/mol.

Une réaction est :

  • endothermique si Er > 0 J/mol
  • exothermique si Er < 0 J/mol
  • athermique si Er = 0 J/mol
Liaison C – H C – C C – O O = O O – H C = O C = O (CO2)
El (kJ/mol) 413 348 360 496 463 804 796

Combustion du méthane CH4

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2 O

Ed = 4 El(C–H) + 2 El(O=O) = 4 × 413 + 2 × 496 = 2644 kJ/mol

Ef = 2 × El(C = O) + 4 × El(O–H) = 2 × 796 + 4 × 463 = 3444 kJ/mol

Er = Ed - Ef = 2644 - 3444 = -800 kJ/mol

C'est une réaction exothermique.

Faire de même avec la combustion de l'éthanol vu précédemment.

C2 H5 OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2 O

Transfert d'énergie lors d'une combustion

Lors d'une combustion, le système chimique libère de la chaleur (noté Q, en J).

\(Q = n \times E_r, \qquad Q = - m \times PC\)

avec m la masse de combustible et PC son pouvoir calorifique (en J/kg)

15 p 166

  2. Q = meau × ceau × Δθ

    la valeur énergétique pour 100 g est Q/m × 100

Pouvoir calorifique de la paraffine   TP

Documents

  • Calcul de la chaleur reçue : \[ Q = m \times c \times (\theta_f - \theta_i), \]

    avec Q en joules (J), m en kg, θx en °C (ou en K), et c la capacité thermique massique

  • Capacités thermiques massiques :
    • ceau = 4180 J ⋅ kg-1 ⋅ K-1
    • calu = 897 J ⋅ kg-1 ⋅ K-1
  • Chaleur latente de fusion de la paraffine : Lfusion = 1,42 MJ ⋅ kg-1
  • Formule brute de la paraffine : C25 H52
  • Masses molaire :
    • M(C) = 12,0 g/mol ; M(O) = 16,0 g/mol ; M(H) = 1,0 g/mol
  • Le pouvoir calorifique d'un combustible correspond à l'énergie dégagée par la combustion complète d'un kilogramme de combustible
  • L'énergie totale est conservée lors de la combustion :
    • une partie permet le changement d'état
    • une partie chauffe la canette
    • une partie chauffe l'eau
  1. Avant la combustion
    • peser la bougie et la canette à vide
    • mettre de l'eau jusqu'à la moitié de la canette
    • déterminer la masse d'eau
    • fixer la canette au dessus de la bougie à l'aide d'une pince
    • introduire la sonde de température dans la canette
  2. Combustion
    • allumer la bougie et la placer juste en dessous de la canette
    • relever la température toute les deux minutes
T1C09-img-transfert-chaleur.png
Figure 1 : Conservation de l'énergie

Partie expérimentale

  1. Faire le schéma de l'expérience à réaliser

  2. Remplir le tableau suivant pour les données initiales

    masse… de la bougie de la canette d'eau Température du système
    (× 10-3 kg)        

  3. Relever les températures au cours de l'expérience

    t (min) 0 2 4 6 8 10
    θ (°C)            
  4. Relever la masse finale de la bougie.

Analyse des résultats

    1. Déterminer la chaleur reçue par l'eau lors de l'expérience.

      Qeau = meau × ceau × Δθ = 200 × 10-3 × 4180 × (θf - θi)

    2. Même question pour la canette.

      Qcanette = mcanette × calu × Δθ

    3. Déterminer l'énergie nécessaire à la fusion de la paraffine.

      Efusion = |Δ mbougie| × Lfusion

  2. L'énergie totale libérée lors de la combustion correspond à la somme de ces termes.

    1. Rappeler la relation entre la chaleur dégagée lors d'une combustion (Q), la masse de combustible consumé (m) et le pouvoir calorifique du combustible (Pc).

      Qcomb = - Δ m × PC = Efusion + Qeau + Qalu

    2. À partir des résultats expérimentaux, déterminer le pouvoir calorifique de la paraffine.

      PC = -(Efusion + Qeau + Qalu)/Δ m

  3. Les ouvrages de références donnent un pouvoir calorifique Pc(paraffine) = 46,0 kJ/g. Déterminer l'écart relatif1. Commenter les les éventuelles sources d'erreur.

    1. Déterminer l'énergie molaire de la réaction.

      Qcomb = n × Er = -Δ m × PC

      Er = M × PC = 352.0 × 46.0 = 16.2 MJ/mol

    2. Établir l'équation de la combustion de la paraffine.

      C25 H52 + 38 O2 → 25 CO2 + 26 H2 O

    3. Déterminer la masse de dioxyde de carbone produite lors de la combustion effectuée.

      n(paraffine) = np = -Δ m / M

      n(CO2) = nc = 25 × np

      m(CO2) = nc × M(CO2)

Notes de bas de page:

1

écart entre valeur théorique et valeur mesuré sur la valeur théorique

T1C09 - Réactions de combustion, créé par E. Machefer, est sous licence CC BY-NC-SA 4.0