Les réactions de combustion Cours

Sommaire

ILa combustion : une réaction chimiqueADéfinition de la combustionBType de combustibleCÉquation de réaction de combustion d'un alcane et d'un alcoolIIÉnergie libérée par une réaction de combustionAÉnergie molaire de combustionBPouvoir calorifique massiqueCCalcul de l'énergie libérée par une combustionDInterprétation microscopique1Énergie de liaison2Détermination de l'énergie molaire de combustionIIIEnjeux sociétauxARéduire les émissions de dioxyde de carboneBRépondre à la raréfaction des combustibles fossilesIVRécapitulatif

 

Notions

À savoir

Couple redox

  • Oxydant : espèce susceptible de capter des électrons.
  • Réducteur : espèce susceptible de céder des électrons.

Équation de la réaction chimique

Écriture symbolique de la réaction dans laquelle les espèces chimiques sont représentées par leurs formules chimiques (brutes, généralement) et précédées de leurs coefficients stœchiométriques qui donnent leurs proportions en moles. 

Lois de conservation

Une équation de la réaction chimique doit respecter les lois de la conservation des éléments chimiques et de la charge électrique, rendant nécessaire d'ajuster les coefficients stœchiométriques des espèces chimiques.

Produit

Espèce formée par une transformation chimique : sa quantité de matière augmente.

Réactif

Espèce consommée par une transformation chimique : sa quantité de matière diminue.

Un réactif est limitant si sa quantité de matière est nulle à l'état final (raison pour laquelle la transformation cesse), sinon il est en excès.

Réaction d'oxydoréduction

Entre l'oxydant Ox1 d'un couple Ox1 / Red1   

et le réducteur Red2 d'un autre couple Ox2/ Red2

Ox1  + Red2\longmapsto Red1 +Ox2

I

La combustion : une réaction chimique

A

Définition de la combustion

La combustion est une réaction chimique.

Combustion

Une combustion est une réaction chimique exothermique entre :

  • un combustible : espèce chimique susceptible de brûler ;
  • un comburant, généralement le dioxygène : espèce chimique entretenant la combustion.

Une source d'énergie (chaleur, étincelle, etc.) est nécessaire pour que la combustion démarre.

Une cheminée est le siège d'une combustion initiée par un premier apport de chaleur. Le combustible est le bois et le comburant est le dioxygène.

Les trois éléments, combustible, comburant et source d'énergie, représentent le triangle de feu : si un seul manque, il est impossible de réaliser une combustion.

-

Triangle de feu

B

Type de combustible

On distingue les combustibles en fonction de leur vitesse de renouvellement.

On distingue deux types de combustible.

Type de combustible

Définition

Exemple

Ressource renouvelable

Se renouvelle assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l'échelle du temps humain

Le bois

Ressource non renouvelable

Se renouvelle moins rapidement qu'on ne la consomme, et de manière négligeable à l'échelle du temps humain

le charbon, le pétrole et ses dérivés (essence, diesel, kérosène, etc.)

C

Équation de réaction de combustion d'un alcane et d'un alcool

Les alcanes et les alcools sont des molécules organiques, le plus souvent dérivées du pétrole, qui sont de très bons combustibles

  • L'essence est un mélange de plusieurs hydrocarbures dont deux alcanes, l'heptane \ce{C7H16}   et l'octane \ce{C8H18}   qui en font un très bon combustible.
  • L'éthanol \ce{C2H6O}   est le composant majoritaire de « l'alcool à brûler ».

Les équations de réaction de combustion des alcanes et des alcools ont toutes des points communs.

En présence de suffisamment de dioxygène, les combustions (dites complètes) des alcanes et des alcools peuvent être modélisées par une réaction d'oxydoréduction entre les couples \ce{O2}\ce{H2O} et \ce{CO2}  combustible. 

Ainsi, pour ces combustions : 

  • Les réactifs sont toujours le combustible (l'alcane ou l'alcool) et le dioxygène.
  • Les produits sont toujours le dioxyde de carbone et l'eau.

Leur bilan est donc :

combustible + dioxygène \longmapsto  dioxyde de carbone + eau

Comme pour toute transformation chimique, les coefficients stœchiométriques des espèces chimiques impliquées dans cette réaction doivent être ajustés afin de respecter les lois de conservation.

L'équation de la réaction de combustion du propane \ce{C3H8}  est :

\ce{C3H8_{(g)}} +7 \ce{O2_{(g)}} \ce{->} 3 \ce{CO2_{(g)}} + 4 \ce{H2O_{(g)}}

Dans ces équations, l'élément oxygène est présent dans plusieurs espèces chimiques, il est donc toujours préférable d'ajuster son coefficient stœchiométrique en dernier.

II

Énergie libérée par une réaction de combustion

Une réaction de combustion est exothermique. Elle libère donc de l'énergie. 

Celle-ci peut être calculée à partir de la quantité de matière de combustible consommé ou de sa masse.

A

Énergie molaire de combustion

Énergie molaire de combustion

L'énergie molaire Em de combustion d'une espèce chimique est l'énergie libérée par la combustion d'une mole de cette espèce chimique. Elle s'exprime donc en J·mol−1.

L'énergie molaire de combustion du propane est   2,219 \times 10^6  J·mol^{-1}.

B

Pouvoir calorifique massique

Le pouvoir calorifique PC d'un combustible est l'énergie libérée par la combustion d'un kilogramme de ce combustible. Il s'exprime donc en J·kg–1.

Le pouvoir calorifique de l'essence est de 47,3 \times 10^6  J·kg^{–1}.

C

Calcul de l'énergie libérée par une combustion

 

Grandeur

Formule

Exemple

Quantité de matière du combustible et son énergie molaire de combustion

E_{(J)} = n_{(mol)} \times E_{m(J·mol^{–1})}

L'énergie libérée par la combustion de 2,0 mol de propane est :

E =n \times E_{m} = 2,0 \times 2,219.10^6= 4,4 \times 10^{6} J

Masse du combustible et son pouvoir calorifique

E_{(J)} = m_{(kg)} \times PC_{m(J·kgl^{–1})}

L'énergie libérée par la combustion de 10 kg d'essence est :

E = m \times PC = 10 \times 47,3.10^6 = 4,7 \times 10^{8} J

D

Interprétation microscopique

1

Énergie de liaison

La formation et la rupture d'une liaison covalente nécessitent un transfert d'énergie.

Énergie de liaison

L'énergie de liaison est l'énergie microscopique d'interaction mise en jeu dans une liaison covalente. 

Elle dépend de la nature des liaisons :

  • elle est libérée si les liaisons se forment. Elle est alors comptée négativement dans un bilan d'énergie ;
  • elle est consommée si les liaisons se rompent. Elle est alors comptée positivement dans un bilan d'énergie.

 

Liaison

E_{formation} 

Énergie libérée par la formation de la liaison (kJ·mol–1)

E_{rupture}

Énergie consommée par la rupture de la liaison (kJ·mol–1)

C–H

–415 

415 

C–C

–345

345

C–O

–356

356

C=O

–498

498

O=O

–798

798

O–H

–463

463

2

Détermination de l'énergie molaire de combustion

L'énergie libérée par la combustion d'une espèce chimique a pour origine la modification des structures moléculaires.

La rupture des liaisons des réactifs consomme de l'énergie, mais la formation des nouvelles liaisons dans les produits en libère davantage.

Lors de la combustion du propane, des liaisons doivent être rompues et d'autres formées.

D'après son équation :

\ce{C3H8_{(g)}} +7 \ce{O2_{(g)}} \ce{->} 3 \ce{CO2_{(g)}} + 4 \ce{H2O_{(g)}}

  • Les liaisons à rompre pour consommer les réactifs sont : 3 \ce{C-C}, 8 \ce{C-H}  et   7 \ce{O=O}   ;
  • Les liaisons à établir pour former les produits sont :  6 \ce{C=O}, 8 \ce{H-O}.

L'énergie molaire de combustion d'une espèce chimique peut être calculée à partir des énergies de liaison.

On modélise la combustion par un mécanisme à deux étapes :

  • dans la première étape, toutes les liaisons covalentes des réactifs sont rompues, ce qui donne un état intermédiaire, et fictif, de plus haute énergie dans lequel tous les atomes sont isolés ;
  • dans la seconde étape, ces atomes isolés forment les liaisons covalentes nécessaires à la formation des produits. Cet état correspond à une énergie plus faible du système et est donc plus stable.

L'énergie molaire de combustion est alors égale à la différence de l'énergie libérée lors de la formation des liaisons covalentes des produits et de celle absorbée lors de la rupture des liaisons covalentes des produits :

E_{m, combustion} = E_{formation} – E_{rupture}

-

L'énergie molaire de combustion du propane est donc :

E_{m, combustion} = E_{formation} – E_{rupture}

E_{m, combustion} = 6 \times E_{f (C=O)} + 8 \times E_{f (H-O)} - (3 \times E_{r (C-C)} + 8 \times E_{r (C-H)} + 7 \times E_{r (O=O)})

E_{m, combustion} = 6 \times (-498) + 8 \times (-463) - (3 \times 345 \times 8 x 415 + 7 \times 798)

E_{m, combustion} = –13 384 J

Une réaction de combustion est exothermique car l'énergie nécessaire à la formation des liaisons est plus grande, en valeur absolue, que celle nécessaire à la rupture des liaisons. 

Ces valeurs étant négatives, on a :

E_{formation} \lt E_{rupture}

D'où : E_{m, combustion} = E_{formation} – E_{rupture} \lt O J

L'énergie molaire de combustion du propane, E_{m, combustion} = –13 384   J est bien négative.

Les énergies de combustion (rupture de liaisons covalentes) sont 10 à 100 fois plus importantes que les énergies de changement d'état (rupture de liaisons intermoléculaires).

III

Enjeux sociétaux

A

Réduire les émissions de dioxyde de carbone

Les combustions des hydrocarbures émettent du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Celui-ci est un gaz à effet de serre et contribue donc au dérèglement climatique. 

C'est pourquoi les taux d'émissions en dioxyde de carbone doivent être encadrés et limités.

Les voitures sont classées en fonction de leur taux d'émission en dioxyde de carbone en grammes par kilomètre (g·km–1). Ce taux peut être déterminé à partir de l'équation de réaction et d'un bilan de matière.

Une voiture consomme 7,0 L aux 100 kilomètres. Son moteur à essence est le siège d'une combustion que l'on peut modéliser par l'équation de réaction suivante :
\ce{C8H18_{(g)}} + \dfrac{25}{2} \ce{O2_{(g)}} \ce{->} 8 \ce{CO2_{(g)}} + 9 \ce{H2O_{(g)}}

L'équation de cette réaction et les données suivantes permettent de calculer son taux d'émission en dioxyde de carbone en grammes par kilomètre (g·km–1).

Espèce chimique

Masse volumique

Masse molaire 

Essence 

(modélisée par l'octane, C8H18)

\rho_E= 750 g·L^{–1}

M_E= 114,0 g·mol^{–1}  

Dioxyde de carbone

-

M_{CO_2}= 44,0 g·mol^{–1}

Le volume d'essence consommé étant 7,0 L aux 100 kilomètres, la quantité de matière d'essence consommée est :

n_E = \dfrac{\rho_E \times V_E}{M_E} = \dfrac{750 \times 7,0}{114,0} = 46  mol

D'après l'équation de la réaction, la quantité de matière de dioxyde de carbone formée est :

\dfrac{n_{CO_2}}{8} = \dfrac{n_{E}}{1} \Leftrightarrow n_{CO_2} = 8 \times n_{E} = 8 \times 46 = 368  mol

Soit une masse de dioxyde de carbone émise, pour 100 km :

M_{CO_2} = n_{CO_2} × M_{CO_2}  =368 \times 44,0 =1,62 \times 10^4   g

D'où, un taux d'émission de dioxyde de carbone de 162 g·km–1.

B

Répondre à la raréfaction des combustibles fossiles

Au rythme de consommation actuel, les ressources d'énergies fossiles encore exploitables dans le monde sont dérisoires. 

Aussi, leur extraction est de plus en plus coûteuse économiquement et pour l'environnement. 

Il est donc urgent de développer et étendre l'exploitation des ressources d'énergie renouvelables, qui est pour l'instant trop faible.

  • On estime la durée de vie des réserves mondiales en pétrole et en gaz naturel à quelques décennies, et un peu plus pour le charbon. L'exploitation des derniers gisements présentent des risques pour l'environnement (pétrole de schiste, réserve naturelle en Antarctique...).
  • En 2017, le taux d'exploitation de ressources renouvelables a été estimé à 20 % dans le monde et à 33 % en Europe.
IV

Récapitulatif

Combustion

Réaction chimique entre un combustible et un comburant (généralement le dioxygène de l'air), initiée par une source d'énergie.

Type de ressources

  • Ressource renouvelable : ressource qui se renouvelle assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l'échelle du temps humain (comme le bois) ;
  • Ressource non renouvelable : se renouvelle moins rapidement qu'on ne la consomme, et de manière négligeable à l'échelle du temps humain (comme le charbon, le pétrole et ses dérivés).

Produits de la combustion d'un alcane ou d'un alcool

Les produits de la combustion d'un alcane ou d'un alcool sont toujours le dioxyde de carbone \ce{CO2} et l'eau \ce{H2O}.

Il est toujours préférable d'ajuster le coefficient stœchiométrique de l'élément oxygène en dernier.

Exemple
L'équation de la réaction de combustion du propane \ce{C3H8}  est :

\ce{C3H8_{(g)}} +7 \ce{O2_{(g)}} \ce{->} 3 \ce{CO2_{(g)}} + 4 \ce{H2O_{(g)}}

Énergie libérée par une réaction de combustion

Une réaction de combustion est exothermique et libère donc de l'énergie qui peut être calculée à partir :

  • de la quantité de matière du combustible consommé et de son énergie molaire de combustion :

E_{(J)} = n_{(mol)} \times E_{m(J·mol^{–1})}

  • de la masse du combustible consommé et de son pouvoir calorifique :

E_{(J)} = m_{(kg)} \times PC_{m(J·kgl^{–1})}

Énergie de liaison

Énergie microscopique d'interaction mise en jeu dans une liaison covalente. 

Elle dépend de la nature des liaisons. Dans un bilan d'énergie.

  • Elle est comptée négativement si les liaisons se forment car elle est libérée.
  • Elle est comptée positivement si les liaisons se rompent car elle est absorbée.

Lien entre énergie molaire de combustion et énergies de liaison

L'énergie molaire de combustion est égale à la différence de l'énergie libérée lors de la formation des liaisons covalentes des produits et de celle absorbée lors de la rupture des liaisons covalentes des produits :

E_{m, combustion} = E_{formation} – E_{rupture}

Enjeux sociétaux

Il est important de :

  • Réduire les émissions en dioxyde de carbone que les combustions des hydrocarbures émettent. Car c'est un gaz à effet de serre qui contribue donc au dérèglement climatique. 
  • Répondre à la raréfaction des combustibles fossiles, en développant et étendant l'exploitation des ressources d'énergie renouvelables, car au rythme de consommation actuel, les ressources d'énergies fossiles encore exploitables dans le monde sont dérisoires et leur extraction est de plus en plus coûteuse économiquement et pour l'environnement.