Combustions des alcanes et des alcools

Combustions des alcanes et des alcools
Thème II – Comprendre
1. REACTION DE COMBUSTION
a. Définition
Une combustion est une transformation chimique impliquant un combustible et un comburant.
Le comburant est généralement le dioxygène de l’air.
b. Equation de combustion
Comme toutes les transformations chimiques une combustion peut être modélisée par une réaction
chimique associée à une équation chimique
Pour écrire l’équation d’une combustion, il faut :
• identifier les réactifs :
• identifier les produits
• s’assurer de la conservation des éléments et des charges
Lorsque le combustible est un alcane ou un alcool, les produits de la réaction sont l’eau et le dioxyde
de carbone si la combustion est complète.
Lors d’une combustion incomplète il se forme de l’eau et du carbone ou du monoxyde de carbone ;
on écrit alors une équation pour chaque espèce carbonée formée.
Ecrire l’équation de la combustion complète du méthane, du butane, de l’éthanol
exercice n°9* et 10 p280
c. Masse de CO2 produite par un véhicule
Les combustions produisent du dioxyde de carbone, gaz à effet de serre qui participe au
réchauffement de la planète. Les moteurs à explosion utilisent des réactions de combustion
généralement d’alcanes ou parfois d’alcools.
Une voiture citadine consomme environ 5,0 L aux 100 km.
Comment devra-t-elle être étiquetée en masse de CO2 produite au km par son vendeur ?
(L’essence est un mélange d’hydrocarbures et parfois d’autres produits combustibles ou adjuvants,
cependant chimiquement elle peut être assimilée à de l’octane : C8H18. La densité de l’essence 0,75)
Pour estimer l’impact écologique d’un véhicule, on estime la masse de dioxyde de carbone qu’il
produit et pour cela il faut :
• Evaluer la quantité de matière de combustible consommé.
• Ecrire l’équation de la combustion complète de ce combustible.
• En utilisant le tableau d’avancement déterminer l’avancement maximal (le dioxygène étant
considéré en excès)
• Déterminer la quantité de matière puis la masse de dioxyde de carbone produit.
Répondre à la question posée en suivant les étapes proposées.
exercice n°15 p281
2. ASPECT ENERGETIQUE D’UNE COMBUSTION
a. Energie libérée lors d’une combustion
Une réaction de combustion est exothermique : le système chimique en combustion libère de
l’énergie. L'énergie libérée par la combustion est transférée à l'environnement sous forme de chaleur ou
énergie thermique (notée Q) et pour une petite partie sous forme de rayonnement si la combustion
s'accompagne d'une flamme.
d. Energie de combustion
L'énergie de combustion est l'énergie qu'un combustible peut transférer à son environnement sous
forme de chaleur Q.
On définit deux nouvelles grandeurs : l’énergie molaire de combustion et le pouvoir calorifique.
On appelle énergie molaire de combustion d’un combustible donné l’énergie libérée par la combustion
compète d’une mole de ce combustible, elle s’exprime en J.mol-1
Remarque : Les valeurs étant relativement importantes, on utilise souvent le kJ.mol-1.
Il est parfois plus intéressant pour comparer les combustibles de prendre comme référence la masse
plutôt que la quantité de matière.
On appelle pouvoir calorifique d’un combustible, l’énergie libérée par la combustion complète d’un
kilogramme de ce combustible. On le note le plus souvent P ou PC, il s’exprime généralement en kJ.kg-1.
Pour le quotidien, il est utile de connaître les valeurs d'énergies de combustion en J.L–1 puisque les
réservoirs des cuves sont donnés en litre.
Il n'est cependant pas possible de comparer ces énergies entre gaz et liquides.
combustible
famille
formule
état physique
méthanol
alcool
CH4O
liquide
méthane
alcane
CH4
gaz
éthanol
alcool
C2H6O
éthane
alcane
butane
butan-1-ol
En. de
combustion
3
(10 kJ/kg)
En. de
combustion (kJ/L)
En. de
combustion
(kJ/mol)
19,9
15800
636
50
33,3
800
liquide
28,8
22000
1326
C2H6
gaz
47,7
59,9
1438
alcane
C4H10
gaz
46,4
112
2691
alcool
C4H10O
liquide
33,1
26000
2447
b. Chauffage d'un corps (voir TP Retour de flamme)
L'énergie thermique transférée par une combustion permet le plus souvent d'élever la température
d'un corps. La capacité calorifique massique d'un corps, notée C et exprimée en J.kg–1.°C–1, est une
caractéristique qui permet de mesurer la "facilité" qu'il y a à le chauffer.
L'énergie thermique Q (en J) qu'il faut transférer à un corps pour élever sa température de ∆ (en °C)
est : ∆
Le transfert thermique peut également permettre de modifier l'état physique d'un corps ; l'énergie
nécessaire au changement d'état d'un corps dont l'énergie massique de changement d'état est L
(exprimée en J. kg–1) est : exercice n°12* p280
c. Stockage et conversion d’énergie chimique
On peut se demander d’où provient l’énergie libérée par la combustion des alcanes et des alcools, il
s’agit en fait de l’énergie solaire "stockée" par les plantes lors de la photosynthèse et qui est restituée
lors de la combustion.
Les alcanes (et plus généralement les hydrocarbures) et les alcools constituent des stocks d’énergie
chimique.
Lors des combustions, l’énergie chimique stockée est transformée en d’autres formes d’énergie.
L’énergie thermique dégagée peut ensuite être transformée en d’autres formes d’énergie comme de
l’énergie mécanique (ou de mouvement) dans un moteur à explosion par exemple.
d. Ordres de grandeur
Changement d’état
10 à 102 kJ.mol-1
Combustion
103 à 104 kJ.mol-1
Transformation nucléaire
1011 à 1013 kJ.mol-1
Les énergies de combustion sont de 10 à 100 fois supérieures aux énergies de changement d’état.
C'est la nature des liaisons qui se rompent et se forment qui explique cette différence : liaisons
intermoléculaires (Van der Waals ou hydrogène) lors d'un changement d'état, liaisons covalentes pour
les réactions chimiques de combustion.
Ces énergies restent cependant nettement inférieures aux énergies mises en jeu lors de
transformations nucléaires.
exercice n°11 p280