Combustion et énergie chimique

 

 

I. Réactions de combustion

1. Équation de combustion

Lors de la combustion complète d'un hydrocarbure ou d'un alcool, le combustible réagit avec le comburant (le dioxygène) pour former du dioxyde de carbone et de l'eau.

Exemple: équation de combustion complète de l'éthanol liquide.

C H 3 −C H 2 −O H (l) +3 O 2(g) →2C O 2(g) +3 H 2 O (g) MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadoeacaWGibWaaSbaaSqaaiaaiodaaeqaaOGaeyOeI0Iaam4qaiaadIeadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGccqGHsislcaWGpbGaamisamaaBaaaleaacaGGOaGaamiBaiaacMcaaeqaaOGaey4kaSIaaG4maiaad+eadaWgaaWcbaGaaGOmaiaacIcacaWGNbGaaiykaaqabaGccqGHsgIRcaaIYaGaam4qaiaad+eadaWgaaWcbaGaaGOmaiaacIcacaWGNbGaaiykaaqabaGccqGHRaWkcaaIZaGaamisamaaBaaaleaacaaIYaaabeaakiaad+eadaWgaaWcbaGaaiikaiaadEgacaGGPaaabeaaaaa@5705@

 

2. Masse de dioxyde de carbone produit par un véhicule

La combustion d'un hydrocarbure ou d'un alcool produit du dioxyde de carbone, gaz à effet de serre dont le rejet dans l'atmosphère participe au réchauffement climatique.

Exemple: estimation de la masse de dioxyde de carbone produit par un moteur à explosion:

L'essence est modélisée par l'octane ( C 8 H 18 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadoeadaWgaaWcbaGaaGioaaqabaGccaWGibWaaSbaaSqaaiaaigdacaaI4aaabeaaaaa@3C68@  ). Une voiture essence consomme un volume V=5,8 L MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadAfacqGH9aqpcaaI1aGaaiilaiaaiIdacaaMc8Uaamitaaaa@3EA0@  sur un parcours de 100 km.

Quelle est la masse m de dioxyde de carbone émise par la voiture par kilomètre?

Données:  masse volumique de l’octane ρ=0,70 kg. L −1 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiabeg8aYjabg2da9iaaicdacaGGSaGaaG4naiaaicdacaaMc8Uaam4AaiaadEgacaGGUaGaamitamaaCaaaleqabaGaeyOeI0IaaGymaaaaaaa@449C@ .

masses molaires atomiques : M(C)=12 g.mo l −1 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaad2eacaGGOaGaam4qaiaacMcacqGH9aqpcaaIXaGaaGOmaiaaykW7caWGNbGaaiOlaiaad2gacaWGVbGaamiBamaaCaaaleqabaGaeyOeI0IaaGymaaaaaaa@4577@  ; M(H)=1,0 g.mo l −1 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaad2eacaGGOaGaamisaiaacMcacqGH9aqpcaaIXaGaaiilaiaaicdacaaMc8Uaam4zaiaac6cacaWGTbGaam4BaiaadYgadaahaaWcbeqaaiabgkHiTiaaigdaaaaaaa@462A@  ; M(O)=16 g.mo l −1 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaad2eacaGGOaGaam4taiaacMcacqGH9aqpcaaIXaGaaGOnaiaaykW7caWGNbGaaiOlaiaad2gacaWGVbGaamiBamaaCaaaleqabaGaeyOeI0IaaGymaaaaaaa@4587@

 

 

Dans l’état final, tout le carburant est consommé et n−2  x max =0 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8qrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaaiaacaGaaeqabaWaaqaafaaakeaacaWGUbGaeyOeI0IaaGOmaiaaykW7caWG4bWaaSbaaSqaaiGac2gacaGGHbGaaiiEaaqabaGccqGH9aqpcaaIWaaaaa@4293@  soit x max = n 2 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadIhadaWgaaWcbaGaciyBaiaacggacaGG4baabeaakiabg2da9maalaaabaGaamOBaaqaaiaaikdaaaaaaa@3EFE@ .

La quantité de carburant consommée par kilomètre s’écrit n= ρV M MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaad6gacqGH9aqpdaWcaaqaaiabeg8aYjaadAfaaeaacaWGnbaaaaaa@3DA8@ . On en déduit x max = ρV 2M MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadIhadaWgaaWcbaGaciyBaiaacggacaGG4baabeaakiabg2da9maalaaabaGaeqyWdiNaamOvaaqaaiaaikdacaWGnbaaaaaa@4178@ .

Application numérique: x max = 7,0× 10 2 ×5,8× 10 −2 2×114 =0,18 mol MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadIhadaWgaaWcbaGaciyBaiaacggacaGG4baabeaakiabg2da9maalaaabaGaaG4naiaacYcacaaIWaGaey41aqRaaGymaiaaicdadaahaaWcbeqaaiaaikdaaaGccqGHxdaTcaaI1aGaaiilaiaaiIdacqGHxdaTcaaIXaGaaGimamaaCaaaleqabaGaeyOeI0IaaGOmaaaaaOqaaiaaikdacqGHxdaTcaaIXaGaaGymaiaaisdaaaGaeyypa0JaaGimaiaacYcacaaIXaGaaGioaiaaykW7caWGTbGaam4BaiaadYgaaaa@5B03@ .

La quantité de dioxyde de carbone produite par kilomètre est n(C O 2 )=16  x max MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaad6gacaGGOaGaam4qaiaad+eadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGccaGGPaGaeyypa0JaaGymaiaaiAdacaaMc8UaamiEamaaBaaaleaaciGGTbGaaiyyaiaacIhaaeqaaaaa@4515@  et la masse de dioxyde de carbone produite par kilomètre est m(C O 2 )=n(C O 2 )×M(C O 2 ) MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaad2gacaGGOaGaam4qaiaad+eadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGccaGGPaGaeyypa0JaamOBaiaacIcacaWGdbGaam4tamaaBaaaleaacaaIYaaabeaakiaacMcacqGHxdaTcaWGnbGaaiikaiaadoeacaWGpbWaaSbaaSqaaiaaikdaaeqaaOGaaiykaaaa@49BB@  soit m(C O 2 )=16  x max  M(C O 2 ) MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaad2gacaGGOaGaam4qaiaad+eadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGccaGGPaGaeyypa0JaaGymaiaaiAdacaaMc8UaamiEamaaBaaaleaacaWGTbGaamyyaiaadIhaaeqaaOGaaGPaVlaad2eacaGGOaGaam4qaiaad+eadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGccaGGPaaaaa@4B63@ .

Application numérique: m(C O 2 )=16 ×0,18×44=1,2× 10 2  g MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaad2gacaGGOaGaam4qaiaad+eadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGccaGGPaGaeyypa0JaaGymaiaaiAdacaaMc8Uaey41aqRaaGimaiaacYcacaaIXaGaaGioaiabgEna0kaaisdacaaI0aGaeyypa0JaaGymaiaacYcacaaIYaGaey41aqRaaGymaiaaicdadaahaaWcbeqaaiaaikdaaaGccaaMc8Uaam4zaaaa@53CB@

 

 

II. Aspect énergétique d'une combustion

1 Énergie libérée lors d'une combustion

Une réaction de combustion est toujours exothermique (le système chimique libère de l'énergie).

Définition: On appelle énergie molaire de combustion l'énergie libérée par mole de combustible consommé: elle est notée E comb MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadweadaWgaaWcbaGaam4yaiaad+gacaWGTbGaamOyaaqabaaaaa@3CDD@  (en J.mol^-1).

Remarque: L'énergie E lib MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadweadaWgaaWcbaGaamiBaiaadMgacaWGIbaabeaaaaa@3BEE@  libérée par la combustion complète d'une quantité de matière n de combustible est donnée par la relation:

E lib =n× E comb  avec { n en mol E lib  en J E comb  en J .mol -1 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=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@6756@

 

2 Stockage et conversion de l'énergie chimique

Les molécules contiennent de l'énergie chimique.

    Lors de la combustion, cette énergie chimique est convertie en d'autres formes d'énergie grâce à un transfert thermique.

    Les hydrocarbures (souvent issus des pétroles) et les alcools constituent des stocks d'énergie chimique.