Physique & Chimie au lycée

Cours de physique-chimie pour les classes de 1ère et Terminale

Sommaire
SP-1 ES-1
SP-T ES-T
3e SNT
Divers Annales

C10. Combustions

Notre mode de vie actuel nécessite l’utilisation de quantités d’énergie colossales. À l’échelle mondiale, l’essentiel (près de 85 %) de cette énergie est obtenue par combustion de combustibles fossiles.

Combustibles usuels

  • Citer des exemples de combustibles usuels.

Un combustible est une substance qui peut subir une réaction de combustion, c’est-à-dire qui peut réagir avec le dioxygène de l’air en dégageant une grande quantité d’énergie.

Combustibles fossiles

Ils sont issus de la biomasse ancienne et accumulés au cours des temps géologiques : charbon, pétrole, gaz « naturel » (principalement méthane, éthane).

Charbon : carbone pur (ou presque, il y a également des impuretés dedans car le bois à l’origine du charbon contenait également d’autres éléments – soufre, phosphore – en petite quantité).

Le raffinage du pétrole brut permet d’en extraire différents types de carburants.

Essence : mélange d’alcanes et d’alcènes (hydrocarbure contenant une double liaison C=C) plus ou moins ramifiés possédant en moyenne 8 atomes de carbone.

Kérosène : idem mais en moyenne 10 atomes de carbone.

Gazole : idem mais en moyenne 12 atomes de carbone.

Combustibles naturels

Ils sont issus de la biomasse : bois, éthanol, méthane issue de processus de traitement de la biomasse (méthanisation), mais aussi « biocarburants » c’est-à-dire des carburants identiques à ceux dérivés du pétrole, mais obtenu par traitement de la biomasse.

Dihydrogène

Il n’existe aucune source naturelle de $*\ce{H2}*$. Le $*\ce{H2}*$ n’est donc pas une source d’énergie car il faut le fabriquer. Il est produit :
• Soit à partir du pétrole par une transformation chimique.
• Soit par électrolyse de l’eau (nécessite beaucoup d’énergie).

Ce n’est pas un combustible organique. Il ne produit pas de $*\ce{CO2}*$ lors de sa combustion. $*\ce{2 H2 + O2 \rightarrow 2 H2O}*$

Avantages & inconvénients des différents combustibles

1. Comparer les avantages et les inconvénients des combustibles naturels et de combustibles fossiles.

2. Le dihydrogène est-il un carburant « vert » ?

Réaction de combustion

  • Écrire l’équation de réaction de combustion complète d’un alcane et d’un alcool.

Équation-bilan

Une combustion est une réaction d’oxydoréduction. L’oxydant est le dioxygène, le plus souvent extrait de l’air ambiant. Le réducteur est le carburant.

Les produits d’une combustion complète d’un carburant ne contenant que des atomes de C, H et O (hydrocarbure, charbon pur, alcools) ne produit que du $*\ce{CO2}*$ et de l’eau.

Combustion et oxydoréduction

1. Écrire les demi-équations d’oxydo-réduction associées aux couples $*\ce{O2}*$/$*\ce{H2O}*$ ; $*\ce{CO2}*$/$*\ce{CH4}*$ ; $*\ce{CO2}*$/$*\ce{CH3CH2OH}*$.

2. Écrire l’équation-bilan de la combustion complète du méthane.

3. Écrire l’équation-bilan de la combustion complète de l’éthanol.

Sous-produits et pollution

Toutes les combustions ne sont pas complètes, loin s’en faut. Lors d’une combustion incomplète, il peut se former du monoxyde de carbone ($*\ce{CO}*$). Il peut également rester des traces d’hydrocarbures non brûlés (odeur caractéristique des gaz d’échappement d’une voiture sans pot catalytique). Il peut également y avoir des micro-particules (principalement de la suie, c’est-à-dire des particules de charbon).

De même, les carburants contiennent des impuretés contenant notamment du soufre $*\ce{S}*$ et de l’azote $*\ce{N}*$. Cela conduit à la formation de $*\ce{SO2}*$, $*\ce{NO}*$, $*\ce{NO2}*$, tous des gaz polluants.

Enfin, lors d’une combustion dans un moteur thermique, le diazote de l’air peut réagir avec le dioxygène pour donner des oxydes d’azote ($*\ce{N2O}*$, $*\ce{NO}*$, $*\ce{NO2}*$) qui sont tous des gaz polluants également.

Énergie de réaction

  • Estimer l’énergie molaire de réaction pour une transformation en phase gazeuse à partir de la donnée des énergies des liaisons.

Énergie de liaison

Une réaction chimique est la rupture d’au moins une liaison dans un réactif et/ou la formation d’au moins une liaison pour former le produit.

Rompre une liaison nécessite un apport d’énergie. Former une liaison produit un dégagement d’énergie.

Toutes les liaisons ne sont pas équivalente en terme d’énergie nécessaire pour les rompre ou d’énergie dégagée pour les former. Par contre, pour une liaison donnée, le coût énergétique pour la rompre est égal au dégagement d’énergie pour la former.

Exemple de la liaison C–C

L’énergie de liaison covalente simple C–C est de 346 kJ·mol-1.
Cela signifie que pour rompre 1 mol de liaison C–C il faut apporter 346 kJ, et que la formation d’une mole de liaison C–C dégage 346 kJ.