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TP 1S THÈME : AGIR/LES DÉFIS DU XXIÈME SIECLE COMBUSTION ET ÉNERGIE CHIMIQUE ÉVALUER L’ÉNERGIE LIBÉRÉE LORS D’UNE COMBUSTION POSITION DU PROBLÈME Les combustions que nous utilisons tous les jours dans notre vie quotidienne dégagent de la chaleur et produisent du dioxyde de carbone. · Comment évaluer l'énergie fournie par ces combustions ? · Comment déterminer la masse de dioxyde de carbone libérée ? I. PRINCIPE L’énergie thermique Eth libérée par la combustion de la paraffine d'une bougie est utilisée pour chauffer, de la température θi, à la température θf, une boîte métallique de masse 𝑚! contenant une masse meau, d'eau. Le système ⎨eau+ boîte⎬ reçoit donc une énergie thermique, notée Eth1. L’énergie thermique Eth libérée par la combustion permet également de faire fondre, puis de vaporiser, la masse m2, de paraffine de la bougie qui aura brûlé. Le ⎨paraffine⎬ reçoit donc une énergie thermique Eth2. En admettant que l’ensemble est thermiquement isolé, l’énergie thermique Eth libérée par la combustion s’exprime donc par : Eth = Eth1 + Eth2 II DONNÉES (CHAPPITRE 12) •
L’énergie thermique E!" reçue ou cédée par un corps de masse m lors d’une variation de température (d’une valeur initiale 𝛉! à une valeur finale 𝛉! ) est donnée par la relation suivante : •
𝐄𝐭𝐡 = 𝐦. 𝐜. (𝛉𝐟 − 𝛉 𝐢 ) Unités : E!" en Joule J, m en kilogramme kg et c (capacité thermique massique du corps) en J.kg–1.°C-­‐1 On prendra c!"# = 0,90 J. g-­‐1.C-­‐1 ° et c!"# = 4,18 J. g-­‐1.C-­‐1 ° L’énergie thermique E!" reçue ou cédée par un corps de masse m pour changer d'état physique, sous une pression P et à la température θ (température de changement d'état) est donnée par la relation suivante : 𝐄𝐭𝐡 = 𝐦. 𝐋 Unités : E!" en Joule J, m en kilogramme kg et L (chaleur massique de changement d'état) en J.kg– 1 On prendra pour le changement fusion, puis vaporisation de la paraffine L = 1,42.103 J. g-­‐ III MANIPULATION • Peser la boîte en aluminium 𝑚! = ................................................. • Mesurer à l’éprouvette 150 mL d’eau réfrigérée (environ 6°C). Verser cette eau dans la canette. • Repeser l’ensemble afin de déterminer la masse exacte d’eau introduite : meau = • Attendre quelques instants et relever la température initiale de l’ensemble : θi = • Peser la bougie éteinte 𝑚!"#$%& = .................................................. • Allumer la bougie. Remuer doucement avec le thermomètre. • Surveiller, agiter régulièrement ; éteindre la bougie lorsque que la température de l’eau et de la canette est voisine de 30°C ; • noter alors la température finale de l’ensemble θf = ............. • Laisser la bougie refroidir ; • la peser à nouveau 𝑚′!"#$%& = .................................................. IV Exploitation des résultats 1) Énergie de combustion a) Exprimer puis calculer, la masse m2, de paraffine ayant brulé. ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... b) Exprimer, à l’aide des données, l’énergie Eth3 libérée par la combustion de la paraffine. ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... c) En déduire une expression du pouvoir calorifique P de la paraffine, c’est à dire l’énergie, exprimée en kJ.kg-­‐1, libérée par la combustion de 1,0 kg de paraffine ; puis la calculer ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... d) En supposant que la paraffine constituant la bougie est essentiellement constituée d’un alcane de formule brute C25H52, exprimer puis calculer, l’énergie E, exprimée en kJ.mol-­‐1, libérée par la combustion d’une mole de paraffine ............................................................................................................................ ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... e) Comparer, la valeur trouvée expérimentalement à celle fournie par les tables, à savoir E = 1,53.104kJ.mol-­‐1 exprimer l’écart relatif entre la valeur trouvée et la valeur attendue et l’exprimer en pourcentage ............................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... f) Proposer des explications permettant de justifier la différence entre cette valeur est celle obtenue expérimentalement. Comment pourrait-­‐on alors améliorer le protocole ? ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... 2) Masse de dioxyde de carbone libérée Comment définit-­‐on une réaction de combustion ? .............................................................................................. ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... a) Quels sont les produits formés au cours de cette réaction ? Comment pourrait-­‐on les mettre en évidence ? .......................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... b) Écrire l’équation de la combustion complète de la paraffine ...................................................................................................................................................................................................... c) Établir, puis compléter le tableau d’avancement, relatif à la combustion d’une mole de paraffine équation de la réaction état -­‐système avancement + ⎯→ Quantités en mol + état initial état intermédiaire état final 0 x x = xmax d) En déduire la masse m de dioxyde de carbone produite par la combustion d’une mole de paraffine ...................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................................