Combustion et énergie

Combustion et énergie

Une bougie qui brûle, un moteur thermique, un feu de cheminée, toujours la même réaction chimique : la combustion. Au-delà de l'équation, on va quantifier l'énergie qu'elle libère et comprendre d'où elle vient à l'échelle des liaisons chimiques.

À la fin de ce chapitre, tu sauras :

écrire et équilibrer l'équation de combustion d'un alcane ou d'un alcool ;

distinguer combustion complète et incomplète ;

relier énergie de réaction, énergie molaire E_r et pouvoir calorifique PC ;

calculer une énergie de réaction à partir des énergies de liaison.

Le triangle du feu

Pour qu'une combustion ait lieu, il faut trois ingrédients simultanément. C'est le « triangle du feu » : si l'un des trois disparaît, le feu s'éteint.

max-w-md Combustible Substance qui a la propriété de brûler (alcanes, alcools, bois, papier, hydrogène…).

Comburant Substance qui permet la combustion. Le principal est le dioxygène O_2 (~21 % de l'air).

Énergie d'activation Énergie initiale fournie par une flamme, une étincelle ou une élévation de température.

Définition Une combustion est une transformation chimique exothermique entre un combustible et un comburant. Elle libère de l'énergie thermique.

Équation d'une combustion complète

La combustion complète (en quantité suffisante de dioxygène) d'un alcane ou d'un alcool produit uniquement du dioxyde de carbone et de l'eau :

alcane / alcool + O_2 → CO_2 + H_2O Méthode d'équilibrage Toujours dans l'ordre :

équilibrer le C ; équilibrer le H ; équilibrer l'O en dernier (en ajustant le coefficient devant O₂).

Exemple : combustion du méthane Squelette : CH_4 + O_2 → CO_2 + H_2O Équilibrer C : 1 C à gauche, 1 C à droite. ✓

Équilibrer H : 4 H à gauche, donc 2 H₂O à droite (2 × 2 = 4 H).

Équilibrer O : à droite, 2 + 2 = 4 O → 2 O₂ à gauche.

CH_4_(g) + 2 O_2_(g) → CO_2_(g) + 2 H_2O_( )

Quelques équations à connaître

Toutes équilibrées avec la même méthode (C → H → O) :

Combustions complètes courantes Méthane (gaz de ville) : CH_4 + 2 O_2 → CO_2 + 2 H_2O Éthane : 2 C_2H_6 + 7 O_2 → 4 CO_2 + 6 H_2O

Propane (briquet, chauffage) : C_3H_8 + 5 O_2 → 3 CO_2 + 4 H_2O

Butane (camping-gaz) : 2 C_4H_10 + 13 O_2 → 8 CO_2 + 10 H_2O

Éthanol (alcool à brûler, bioéthanol) : C_2H_6O + 3 O_2 → 2 CO_2 + 3 H_2O Astuce coefficients fractionnaires

Quand l'équilibrage donne un demi-coefficient (ex. C_2H_6 + 7/2 O_2 ), on multiplie tout par 2 pour avoir des entiers.

Combustion complète vs incomplète

Combustion complète Quand le dioxygène est en quantité suffisante :

produits : uniquement CO₂ et H₂O ; flamme bleue (méthane, propane), combustion « propre ».

Combustion incomplète Quand le dioxygène est en défaut :

produits : CO (monoxyde de carbone, toxique), C (suies noires), un peu de CO₂ ; flamme orange/jaune fumante.

Le danger du CO Le monoxyde de carbone CO est incolore, inodore et hautement toxique : il se fixe sur l'hémoglobine 200× mieux que l'O₂, provoquant l'asphyxie. C'est la cause des intoxications mortelles avec des chauffe-eau ou poêles mal réglés. Toujours ventiler les pièces où on chauffe au gaz.

La combustion vue comme oxydoréduction

Au cours d'une combustion, le combustible se lie au dioxygène. C'est une oxydation du combustible, donc une réaction d'oxydoréduction.

Le combustible Subit une oxydation (perd des e⁻).

→ joue le rôle de réducteur.

Le dioxygène O₂ Subit une réduction (capte des e⁻).

→ joue le rôle d'oxydant.

Couples mis en jeu O_2 / H_2O CO_2 / combustible

C'est ce point de vue qu'on adoptera pour la combustion de l'éthanol dans l'éthylotest (chap. 7) : l'éthanol est oxydé en CO₂.

Énergie d'une combustion : convention de signe

Lors d'une combustion, l'énergie chimique stockée dans les liaisons du combustible est convertie en énergie thermique qui chauffe l'environnement. On note cette énergie E, en joules (J) (souvent en kJ ou MJ).

Convention de signe Système qui libère (perd) E < 0 Réaction exothermique.

Système qui reçoit (gagne) E > 0 Réaction endothermique.

Une combustion → toujours E < 0 Une combustion est toujours exothermique : le système chimique perd de l'énergie au profit de l'extérieur. Le signe de E pour une combustion est donc toujours négatif.

Énergie molaire de réaction Eᵣ

Définition L'énergie molaire de réaction est l'énergie libérée par la combustion d'une mole de combustible. E = n × E_r en joules (J) en mol E_r en J·mol⁻¹ Eᵣ < 0 pour une combustion

Comme E est négatif et n est positif, par définition E_r est aussi négatif pour une combustion. On le donne souvent en valeur absolue dans les énoncés (ex. « la combustion du méthane libère 804 kJ·mol⁻¹ »), attention à bien remettre le signe pour les calculs.

Pouvoir calorifique massique PC

Pour comparer des combustibles, on utilise plutôt l'énergie libérée par kg de combustible, le pouvoir calorifique massique.

Définition Le pouvoir calorifique PC d'un combustible est l'énergie récupérée lors de la combustion d'un kilogramme de ce combustible. Par convention, PC est positif.

E = -m × PC Le signe « − » est obligatoire : PC est défini positif, mais E est négatif (combustion exothermique).

en J en kg PC en J·kg⁻¹ Quelques pouvoirs calorifiques (ordres de grandeur) Combustible PC (MJ·kg⁻¹) Bois ~ 15 Charbon ~ 30 Éthanol ~ 27 Essence ~ 47 Gaz naturel (méthane) ~ 50 Hydrogène ~ 142

L'hydrogène est l'imbattable énergétiquement par kg, d'où l'intérêt pour les voitures à pile à combustible. Mais il faut le stocker (très volumineux à l'état gazeux !).

Énergie molaire de liaison Eℓ

D'où vient l'énergie libérée par une combustion ? Au niveau microscopique, des liaisons covalentes sont rompues dans les réactifs et d'autres sont formées dans les produits.

Énergie de liaison L'énergie molaire de liaison E_ d'une liaison A–B est l'énergie nécessaire pour rompre une mole de liaisons A–B et obtenir les atomes A et B séparés à l'état gazeux :

A-B_(g) → A_(g) + B_(g) écessite E_ E_ est toujours positive et s'exprime en J·mol⁻¹ (ou kJ·mol⁻¹).

Quelques valeurs (kJ·mol⁻¹) Liaison E_ (kJ·mol⁻¹) C–H 415 C–C 348 C–O 358 O–H 463 O=O 498 C=O 804

Les doubles liaisons sont plus solides que les simples, d'où la valeur élevée de C=O.

Calculer Eᵣ à partir des liaisons

Pour calculer E_r, on imagine la transformation en deux étapes hypothétiques :

on casse toutes les liaisons des réactifs (chemin ①, gain d'énergie pour le système) ;

on forme toutes les liaisons des produits (chemin ②, perte d'énergie).

La somme algébrique de ces deux étapes donne le bilan énergétique direct E_r (chemin ③).

max-w-3xl Formule clé E_r = E_ (réactifs) - E_ (produits)

Astuce : écris les formules développées avec leur coefficient stœchiométrique, puis compte chaque liaison des deux côtés, tu n'en oublieras aucune.

Coefficient 1 obligatoire devant le combustible

E_r est l'énergie pour 1 mole de combustible. Si l'équation est écrite avec un autre coefficient (ex. 2 C_2H_6 + 7 O_2 → ), divise toute l'équation par 2 avant le calcul.

Tutoriel : calcul de Eᵣ pour le méthane

Reprenons l'équation :

CH_4 + 2 O_2 → CO_2 + 2 H_2O ① Liaisons rompues (réactifs).

1 CH₄ contient 4 liaisons C–H.

2 O₂ contiennent 2 liaisons O=O (1 par molécule).

② Liaisons formées (produits).

1 CO₂ contient 2 liaisons C=O.

2 H₂O contiennent 4 liaisons O–H (2 par molécule).

③ Application de la formule. E_r = 4 × E_ (C-H) + 2 × E_ (O=O) - 2 × E_ (C=O) - 4 × E_ (O-H)

④ Numérique. E_r = 4 × 415 + 2 × 498 - 2 × 804 - 4 × 463 E_r = 1660 + 996 - 1608 - 1852 = -804 kJ · mol^-1

⑤ Interprétation. E_r < 0 → la combustion libère bien de l'énergie. La combustion d'une mole de méthane (16 g) libère environ 800 kJ.

Ce qu'il faut retenir

Triangle du feu : combustible + comburant + énergie d'activation.

Combustion complète : alcane/alcool + O₂ → CO₂ + H₂O. Équilibrer dans l'ordre C → H → O. Incomplète (O₂ en défaut) → CO et suies, dangereux.

La combustion est une oxydoréduction : combustible = réducteur, O₂ = oxydant. Couples O_2/H_2O et CO_2/combustible.

Énergie de réaction : E < 0 (exothermique). E = n E_r ou E = -m · PC.

Énergies de liaison : E_r = E_ (réactifs) - E_ (produits). Compter avec les formules développées et le coefficient 1 devant le combustible.