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Les réactions de combustion
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Introduction :
Une centrale thermique, une chaudière à gaz ou un moteur de voiture fonctionnent grâce à la combustion de composés organiques.
La plupart sont des combustibles fossiles. Les combustibles d’origine végétale leur sont peu à peu préférés, car la croissance des végétaux dont ils sont issus consomme autant de dioxyde de carbone que leur combustion en génère.
Ceci leur confère un impact bien moins important sur l’effet de serre, même si d’autres facteurs sont à prendre en compte, comme le procédé de transformation ou l’allocation des terres agricoles.
La combustion est un procédé chimique de production de chaleur, celle-ci étant éventuellement convertie sous une autre forme par la suite.
Cette énergie extraite des molécules organiques est celle des liaisons covalentes, c’est-à-dire l’énergie échangée par les atomes en interaction.
Ce cours vise à présenter la combustion de manière qualitative et quantitative. La combustion complète de composés organiques est d’abord modélisée par une oxydoréduction. Puis le calcul de l’énergie produite par combustion, à partir de l’énergie contenue dans les molécules, est détaillé.
Modélisation de la réaction de combustion
La combustion est une réaction chimique, dont les produits, les réactifs et les mécanismes sont identifiables.
Produits formés par la combustion
Considérons l’expérience suivante : au-dessus de la flamme d’une bougie, un tube terminé par un entonnoir conduit le gaz dégagé par la combustion vers un récipient contenant de l’eau de chaux.
Mise en évidence de la production de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau dans une combustion
La combustion de composés organiques produit du dioxyde de carbone et de l’eau.
Équation de la combustion complète d’un alcane et d’un alcool
Une combustion nécessite trois ingrédients : un combustible, un comburant et une source de chaleur permettant d’initier la réaction.
Le combustible et le comburant – généralement le dioxygène de l’air – sont les réactifs de la réaction chimique à l’œuvre dans une combustion.
La nature des produits formés dépend de la composition du combustible.
Si celui-ci n’est formé que de carbone, d’hydrogène et d’oxygène, il est possible de n’obtenir que du dioxyde carbone et de l’eau.
Combustion complète :
La combustion d’un alcane ou d’un alcool est dite complète si elle ne produit que du dioxyde de carbone et de l’eau.
L’équation-bilan de la combustion complète d’un alcane peut s’écrire sous la forme générale :
L’équation-bilan de la combustion complète d’un alcool peut s’écrire sous la forme générale :
La combustion d’un de ces composés est incomplète si la quantité de dioxygène est trop faible pour équilibrer l’équation-bilan ci-dessus.
Dans ce cas, du monoxyde de carbone, toxique, est aussi formé.
Les mélanges combustibles ne contiennent pas que des alcanes et des alcools.
Interprétation : réaction d’oxydoréduction
Les réactions de combustion complète peuvent être interprétées comme des réactions d’oxydoréduction.
La combustion complète d’un alcane ou d’un alcool est une réaction chimique de type oxydoréduction, au cours de laquelle l’alcane ou l’alcool est oxydé en dioxyde de carbone et le dioxygène réduit en eau.
Énergie libérée par une combustion
La combustion fait partie des réactions chimiques qui dégagent de l’énergie. Cette production d’énergie peut être mesurée ou calculée.
Mesure de la chaleur dégagée et capacité calorifique
La combustion du bois dans un poêle ou celle du carburant dans le moteur d’un véhicule automobile produisent de la chaleur.
Une combustion est une réaction exothermique.
La chaleur dégagée par combustion peut être déduite de la mesure de l’élévation de température provoquée, par exemple dans une pièce fermée et bien isolée chauffée par un poêle.
Capacité calorifique massique :
La capacité calorifique massique d’une substance est la quantité de chaleur à fournir à un kilogramme de cette substance pour en élever la température de .
Interprétation microscopique : énergie de liaison et énergie de réaction
Une réaction chimique consiste en la rupture de liaisons covalentes dans les réactifs et la formation de nouvelles liaisons covalentes permettant la formation des produits.
La combustion complète d’un alcane ou d’un alcool est également une réaction chimique, de type oxydoréduction.
Or les réactifs sont, à température ambiante, stables.
En termes énergétiques, cela signifie que les atomes qui les constituent se trouvent dans un état d’énergie plus bas, donc favorisé, lorsqu’ils sont liés entre eux dans cette molécule que lorsqu’ils sont séparés.
Énergie de liaison :
L’énergie de liaison d’une molécule est l’énergie associée aux liaisons covalentes de celle-ci. Cela correspond à l’énergie à fournir pour former toutes les liaisons covalentes de cette molécule, à partir des atomes isolés.
Voici les énergies de liaison de quelques substances, à température et pression ambiantes :
Substance | Énergie de liaison | Substance | Énergie de liaison |
(liq.) | propane (gaz) | ||
(gaz) | octane (liq.) | ||
(gaz) | éthanol (liq.) |
L’énergie de liaison du dioxygène gazeux est nulle, car il s’agit d’un corps pur simple (ne comportant qu’un seul élément chimique), stable dans cet état physique dans les conditions usuelles.
Lors d’une réaction chimique, de l’énergie est donc consommée pour briser des liaisons covalentes, puis de l’énergie est libérée quand de nouvelles liaisons sont créées.
Énergie de réaction :
L’énergie de réaction d’une réaction chimique est la différence entre les énergies de liaison des réactifs et celles des produits.
L’énergie de réaction d’une combustion est donc négative.
Pour calculer l’énergie dégagée ou consommée par une réaction, il faut tenir compte de l’état physique (liquide, solide, gazeux) des réactifs et produits, car les valeurs de leurs énergies de liaison en dépendent.
Énergies molaires de réaction et pouvoirs calorifiques de combustibles usuels
On souhaite estimer facilement l’énergie qu’il est possible d’obtenir d’une quantité ou d’une masse donnée de combustible.
Énergie molaire et pouvoir calorifique :
Le pouvoir calorifique d’un combustible est égal au rapport de la valeur absolue de son énergie molaire de combustion sur sa masse molaire, exprimée en kilogramme par mole :
Les valeurs des énergies molaires de combustion et des pouvoirs calorifiques de la plupart des combustibles sont tabulées.
Il est néanmoins possible de les calculer à partir de l’équation-bilan et des énergies de liaison des substances en jeu.
Cet alcane linéaire contient atomes de carbone, sa formule brute est donc : .
Sa formule brute est : .
On remarque que le pouvoir calorifique de l’éthanol est moindre que celui de l’essence fossile.
L’utilisation de l’éthanol entraîne donc a priori une augmentation de consommation.
Cependant, il s’agit d’un carburant renouvelable. De plus, la consommation des moteurs thermiques est réduite, d’un modèle de moteur au suivant, à l’issue d’études d’amélioration de l’efficacité de la combustion.
Conclusion :
La combustion complète de composés organiques ne contenant que du carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène est complète si les seuls produits formés sont du dioxyde de carbone et de l’eau, et que tout le combustible organique est consommé.
Une telle réaction peut être modélisée comme l’oxydation du composé organique (alcane ou alcool) en par l’effet du dioxygène, celui-ci étant réduit en eau.
La combustion est une réaction exothermique.
L’énergie molaire de combustion est la quantité de chaleur dégagée par la combustion d’une mole de combustible, négative par convention.
Le pouvoir calorifique est la quantité de chaleur dégagée par la combustion d’un kilogramme de combustible, positif par convention.