Chapitre 10


Cours




2
Énergie de réaction d’une combustion


C
Pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique est une propriété des combustibles. Il s’agit de l’énergie libérée par la combustion d’un kilogramme de combustible (doc. 3).

Les secteurs industriels et technologiques choisissent le combustible en fonction de son pouvoir calorifique. Plus le pouvoir calorifique d’un combustible est grand, plus la quantité de combustible nécessaire est faible.

Éviter les erreurs

Si un mélange réactionnel libère de l’énergie, l’énergie de réaction est négative (E<0).(E\lt0).

Si un mélange réactionnel absorbe de l’énergie, l’énergie de réaction est positive (E>0).(E>0).

Doc. 4
Énergies moyennes de liaison

Liaison
Énergie de liaison (kJ·mol-1)
O\text{O} \bf{-} H\text{H}
459
O\text{O} =\bf{=} O\text{O}
494
O\text{O} \bf{-} O\text{O}
142
C\text{C} =\bf{=} C\text{C}
602
C\text{C} \bf{-} O\text{O}
358
C\text{C} =\bf{=} O\text{O}
749
C\bf{\text{C}} =\bf{=} O\text{O}^{*}
795
C\text{C} \bf{-} C\text{C}
346
C\text{C} \bf{-} H\text{H}
411
C\text{C} \bf{-} N\text{N}
305
C\text{C} =\bf{=} N\text{N}
615
N\text{N} \bf{-} H\text{H}
386
H\text{H} \bf{-} H\text{H}
432

C=O\text{C} = \text{O}^{*} liaisons dans CO2.\text{CO}_{2}.

Vocabulaire

  • Endothermique : réaction chimique qui absorbe de l’énergie thermique, Er>0E_{\mathrm{r}}>0 kJ·mol-1.
  • Exothermique : réaction chimique qui libère de l’énergie thermique, Er<0E_{\mathrm{r}}\lt0 kJ·mol-1.
  • Athermique : réaction chimique qui n’échange pas d’énergie thermique avec l’extérieur. Er=0E_{\mathrm{r}}=0 kJ·mol-1.

B
Énergie molaire de réaction

Lors d’une réaction de combustion, des mécanismes réactionnels ont lieu avec des ruptures de liaisons covalentes suivies de la formation de nouvelles liaisons covalentes.

L’énergie molaire d’une réaction chimique est égale à la différence entre l’énergie de dissociation des réactifs et l’énergie de formation des produits : Er=EdEf.E_{\mathrm{r}}=E_{\mathrm{d}}-E_{\mathrm{f}}.

L’énergie libérée lors de cette réaction est proportionnelle à la quantité de matière de combustible brûlé : E=nEr.E=n \cdot E_{\mathrm{r}}.


Application

Calculer l’énergie libérée par 5 mol de propane (envion 200 mL de gaz). L’équation de la réaction de combustion complète du propane est :
C3H8(g)+5O2(g)3CO2(g)+4H2O(g)\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{8}(\mathrm{g})+5\, \mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \rightarrow 3\, \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g})+4\, \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g})

Corrigé :
Calcul des énergies de dissociation, de formation et de réaction (doc. 5).
Énergie de dissociation : Ed=2×347+8×414+5×502E_{\mathrm{d}}=2 \times 347+8 \times 414+5 \times 502
Ed=6516E_{\mathrm{d}}=6\,516 kJ·mol-1.

Énergie de formation : Ef=6×795+8×464=8482E_{\mathrm{f}}=6 \times 795+8 \times 464=8\,482 kJ·mol-1.
Énergie de réaction : Er=65168482=1966E_{\text{r}}=6\,516-8\,482=-1\,966 kJ·mol-1.
Soit une énergie libérée : E=n(C3H8)Er=5×(1966)=9830E=n(\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{8}) \cdot E_{\mathrm{r}}=5 \times(-1\,966)=-9\,830 kJ.
La combustion d’une cartouche de propane libère 98309\, 830 kJ sous forme de chaleur.

Doc. 5
Diagramme énergétique

Diagramme énergétique

A
Énergie chimique

L’énergie chimique d’un composé est l’énergie stockée dans ce composé en raison des liaisons chimiques qui le constituent.

La formation de liaisons covalentes d’une molécule libère de l’énergie. Cette énergie EfE_{\text{f}} est appelée énergie de formation et dépend de la nature des liaisons formées (doc. 4).

À l’inverse, la rupture de liaisons covalentes d’une molécule nécessite un apport d’énergie. Cette énergie EdE_{\text{d}} est appelée énergie de dissociation et dépend de la nature des liaisons rompues.

1
La réaction de combustion


B
Équation de combustion

L’équation d’une combustion complète fait intervenir un combustible (éthanol, alcane, etc.) avec un comburant comme le dioxygène O2\text{O}_{2}. Cette réaction produit du dioxyde de carbone CO2\text{CO}_{2} et en général de l’eau H2O\text{H}_{2}\text{O} (sauf dans le cas du charbon).

Ces réactions peuvent être modélisées par une réaction d’oxydoréduction entre les couples oxydant/réducteur : CO2\text{CO}_{2}/combustible et O2/H2O.\mathrm{O}_{2} / \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}.
Une réaction de combustion incomplète a lieu lorsque du monoxyde de carbone CO\text{CO} et/ou du carbone C\text{C} se forment.

Vocabulaire

  • Combustible : espèce chimique possédant une énergie chimique capable d’être libérée lors d’une combustion.

Doc. 2
Quelques valorisations du CO2\bf{\text{CO}_{2}}

  • Production de biomasse et de micro-algues en particulier.
  • Utilisation en tant que solvant ou réfrigérant.
  • Injection dans le sous-sol pour la récupération d’hydrocarbures, ce qui contribue à le stocker.

Doc. 3
Divers pouvoirs calorifiques

Combustible
Pouvoir calorifique (MJ·kg-1)
Dihydrogène
142,9
Butane
49,51
Essence
47,8
Diesel
44,8
Éthanol
29,7
Bois
15

Doc. 1
Transformation de la biomasse

Transformation de la biomasse

A
Ressources énergétiques

La réaction de combustion est très utilisée pour son caractère fortement exothermique. Les combustibles peuvent être classés en deux catégories.

  • Ressources renouvelables (végétaux, déchets organiques) : ces combustibles se forment rapidement à l’échelle d’une vie humaine.
  • Ressources non renouvelables (charbon, pétrole, etc.) : ces combustibles ne se reforment pas ou lentement à l’échelle d’une vie humaine.

C
Défis énergétiques et développement durable

La combustion d’hydrocarbures produit de grandes quantités de dioxyde de carbone CO2\mathrm{CO}_{2}, ce gaz participe à l’effet de serre et donc au réchauffement climatique actuel de la planète.

Les activités humaines (transport routier, industries, etc.) produisent la majorité du CO2\mathrm{CO}_{2} dégagé dans l’atmosphère mais il existe également des gaz à effet de serre d’origine naturelle (méthane, vapeur d'eau, etc.). Des projets sont déjà mis en place pour réduire ces émissions de gaz ou les valoriser lors de procédés industriels (doc. 2). L’utilisation des combustibles renouvelables comme le méthane, l’huile de colza ou bioéthanol est également un point important de ces recherches.

Application

Calculer la masse de CO2\mathrm{CO}_{2} rejetée lors d’un trajet en voiture consommant un litre d’essence (C8H18).(\mathrm{C}_{8} \mathrm{H}_{18}).

Corrigé :
On a à l’état initial n0(essence)=ρVM=n_{0}(\text {essence})=\dfrac{\rho \cdot V}{M}= 703×1,00114=6,17\dfrac{703 \times 1\text{,}00}{114}=6\text{,}17 mol.
La réaction de combustion est :
2C8H18(l)+25O2(g)16CO2(g)+18H2O(g).2\, \mathrm{C}_{8} \mathrm{H}_{18}(\text{l})+25\, \mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \rightarrow 16\, \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g})+18\, \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g}).
La combustion est totale, on a donc en fin de réaction :
n(CO2)=162n0(essence)=49,3n(\mathrm{CO}_{2})=\dfrac{16}{2} n_{0}(\text {essence})=49\text{,}3 mol.
Soit m(CO2)=n(CO2)M(CO2)=m(\mathrm{CO}_{2})=n(\mathrm{CO}_{2}) \cdot M(\mathrm{CO}_{2})= 49,3×44,0=217149\text{,}3 \times 44\text{,}0= 2\,171 g =2,17=2\text{,}17 kg.
La consommation d’un litre d’essence rejette 2,172\text{,}17 kg de CO2.\mathrm{CO}_{2}.

Données

  • Messence=114,2M_{\text {essence}}=114\text{,}2 g·mol-1 ;
  • ρessence=700\rho_{\text {essence}}=700 g·L-1 ;
  • M(CO2)=44,0M(\mathrm{CO}_{2})=44\text{,}0 g·mol-1.
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