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Physique-Chimie 1re

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28
TNT, une combustion explosive

RAI/ANA : Faire le lien entre les modèles microscopiques et les grandeurs macroscopiques

TNT, une combustion explosive


Le TNT ou 2,4,6-trinitrotoluène est un explosif découvert par le chimiste allemand Julius Wilbrand. Le TNT fut très utilisé lors de la Première Guerre mondiale, notamment pour la confection de torpilles. Selon les conditions opératoires, deux réactions différentes peuvent se produire à partir du TNT :
a. 2C7H5N3O6(s)+O2(g)2\, \mathrm{C}_{7} \mathrm{H}_{5} \mathrm{N}_{3} \mathrm{O}_{6}(\mathrm{s})+\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \rightarrow 3N2(g)+5H2(g)+14CO(g).3\, \mathrm{N}_{2}(\mathrm{g})+5\, \mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})+14\, \mathrm{CO}(\mathrm{g}).
b. C7H5N3O6(s)+4O2(g)\mathrm{C}_{7} \mathrm{H}_{5} \mathrm{N}_{3} \mathrm{O}_{6}(\mathrm{s})+4\, \mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \rightarrow 7CO2(g)+H2O(g)+N2(g).7\, \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g})+\mathrm{N}_{2}(\mathrm{g}).

1. Nommer chacune de ces réactions.


2. La réaction b. ne se produit pratiquement pas, proposer une explication.


3. En s’aidant des données, déterminer l’énergie libérée lors de la combustion de 2 kg de TNT et de 2 kg de sucre lors de leur combustion.


4. Le résultat précédent est-il cohérent ? Proposer une explication.



Données

  • MTNT=227,1M_{\mathrm{TNT}}=227\text{,}1 g·mol-1 ;
  • Msucre=342,3M_{\text {sucre}}=342\text{,}3 g·mol-1 ;
  • Er(TNT)=3,29E_{\mathrm{r}}(\mathrm{TNT})=3\text{,}29 MJ·mol-1 ;
  • Er(sucre)=5,72E_{\mathrm{r}}(\text {sucre})=5\text{,}72 MJ·mol-1.

Doc. 1
VO2\text{V}\text{O}_{2} max

Le Volume d’oxygène maximum (VO2\text{V}\text{O}_{2} max) est la quantité maximale d’oxygène que le corps consomme lors d’un effort intense par unité de temps. Il s’exprime en millilitres par minute (mL·min‑1).
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20
Valorisation du CO2\bf{\text{CO}_{2}}

RAI/MOD : Réaliser une chaîne énergétique

1. Représenter la chaîne énergétique d’une telle centrale.
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2. Écrire l’équation de combustion complète du méthane.


3. Calculer la masse de dioxyde de carbone CO2\text{CO}_{2} produite chaque année par cette centrale.


4. Combien de bouteilles d’un litre peut-on gazéifier après captage du CO2\text{CO}_{2} en sortie de cette centrale ?


Données

  • M(CH4)=16,0M(\mathrm{CH}_{4})=16\text{,}0 g·mol-1 ;
  • Concentration en CO2\bf{\text{CO}_{2}} par litre de soda : 7 g·L‑1.
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Comprendre les attendus

23
Jeux olympiques

RAI/MOD : Transformation chimique

La flamme olympique est un symbole des jeux, elle reste allumée tout au long de l’année et sa température est de l’ordre de 1 000 °C. Elle est alimentée par du propane qui arrive par un tuyau dans le manche de la torche qui alimente en continu la combustion de ce gaz.

La flamme olympique


1. Écrire l’équation de combustion complète du propane C3H8.\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{8}.


2. Déterminer le volume de CO2\mathrm{CO}_{2} produit pour 1 kg de propane consommé.


3. La flamme olympique participe-t-elle au réchauffement climatique ?


4. Rappeler ce qu’est l’effet de serre.


Données

  • M(C3H8)=44,1M(\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{8})=44\text{,}1 g·mol-1 ;
  • ρ(C02)=1,87\rho(\mathrm{C0}_{2})=1\text{,}87 g·L-1 ;

  • Détails du barème
    TOTAL /5,5 pts

    0,5 pt
    1. Connaître les réactifs et produits d’une combustion complète.
    0,5 pt
    1. Ajuster une équation chimique.
    1 pt
    2. Calculer la quantité de propane consommée.
    1 pt + 0,5 pt
    2. Déduire la quantité de CO2\mathrm{CO}_{2} formée et le volume de CO2\mathrm{CO}_{2} correspondant.
    1 pt
    3. Identifier un gaz à effet de serre.
    1 pt
    4. Rédiger en employant le vocabulaire adapté.
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29
Efforts musculaires

RÉA : Exploiter un ensemble de mesures

Martin Fourcade est quintuple champion olympique de biathlon et a été 11 fois champion du monde.

Martin Fourcade


Ce sport nécessite à la fois endurance sur les skis et concentration lors des tirs de précision. Face à son grand rival, le Norvégien Johannes Bø, Martin Fourcade (77 kg) gagne ses victoires au mental. Comment vérifier cette affirmation ?

1. Écrire les équations ajustées des processus aérobie (doc. 2) et anaérobie (doc. 3).


2. Lors d’une course d’une heure, quelle est la quantité de matière maximale de O2\text{O}_{2} consommée par chaque biathlète ?


3. En considérant le dioxygène comme le réactif limitant de la réaction aérobie, quel athlète atteint le processus d'anaérobie le premier pour une même énergie dépensée par unité de temps ?


4. D'après vos résultats, justifier l'affirmation faite dans l'énoncé.


Données

  • M(O2)=32,0M(\text{O}_{2})=32\text{,}0 g·mol-1 ;
  • VO2 max (Martin Fourcade) \mathrm{VO}_{2} \text { max (Martin Fourcade) } =82= 82 mL·kg -1·min-1 ;
  • VO2 max (JohannesBϕ)=87\mathrm{VO}_{2} \text{ max }(\text {Johannes}\: \mathrm{B} \phi)=87 mL·kg-1·min-1;
  • Volume molaire d’un gaz dans les CNTP :
    Vm=22,4V_{\text{m}}=22\text{,}4 L·mol-1.

Doc. 3
Anaérobie

Lorsque la quantité de dioxygène n’est plus suffisante, le glucose C6H12O6\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_{6} se transforme en acide lactique C3H6O3\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{6} \mathrm{O}_{3}, qui peut déclencher des crampes.
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26
Copie d'élève à commenter

Proposer une justification pour chaque erreur relevée par le correcteur.

1. L’équation de combustion complète du pentan-1-ol (C5H12O)(\text{C}_{5} \text{H}_{12} \text{O}) est :
C5H12O(l)+5O2(g)5CO(g)+6H2O(g).\xcancel{\text{C}_{5}\text{H}_{12}\text{O}(\text{l}) + 5\, \text{O}_{2}(\text{g}) \rightarrow 5\, \text{CO}(\text{g}) + 6 \,\text{H}_{2}\text{O}(\text{g})}.


2. L’équation de combustion complète du pentan-1-ol participe à l’effet de serre car il consomme du dioxygène.

3. L’énergie massique de dissociation de cette réaction est égale à :
Ed=4El(CC)+12El(HC)+El(OC)+152El(O=O)\xcancel{E_{\text{d}}=4 El(\text{C}-\text{C})+12 E_{\text{l}}(\text{H}-\text{C})+E_{\text{l}}(\text{O}-\text{C})+\dfrac{15}{2} E_{\text{l}}(\text{O}=\text{O})}
=10522= 10\, 522 kJ·mol-1.

4. L’énergie molaire de réaction est égale à :
Ef=5El(C=O)+6El(OH)=13518E_{\text{f}}=5 E_{\text{l}}(\text{C}=\text{O})+6 E_{\text{l}}(\text{O}-\text{H})=13\,518 kJ·mol-1.

5. L’énergie molaire de réaction est égale à :
Er=2996E_{\text{r}}=2\,996 kJ·kg-1.

6. Cette réaction est dite endothermique.

Doc. 2
Aérobie

L’aérobie est un processus musculaire de combustion complète du glucose C6H12O6\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_{6} contenu dans l’organisme.

Efficacité énergétique

A : le logement consomme moins de 50 kW·h·m‑2·an‑1.
B : le logement consomme entre 51 et 90 kW·h·m‑2·an‑1.
C : le logement consomme entre 91 et 150 kW·h·m‑2·an‑1.
D : le logement consomme entre 151 et 230 kW·h·m‑2·an‑1.
E : le logement consomme entre 231 et 330 kW·h·m‑2·an‑1.
F : le logement consomme entre 331 et 450 kW·h·m 2·an‑1.
G : le logement consomme plus de 450 kW·h·m‑2·an‑1.

Doc. 2
Le rhum

Le rhum est une boisson alcoolisée fabriquée à partir de la canne à sucre. Il contient de l’éthanol, sa concentration en éthanol est de 40 %vol.
%vol : rapport entre le volume d’alcool (éthanol) contenu dans le mélange et le volume total de ce mélange.
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22
Le briquet à gaz

RAI/MOD : Appliquer le principe de conservation de l’énergie

Le briquet à gaz est une invention du français Henry Pingeot. Environ 9,0 mL de butane (C4H10)(\mathrm{C}_{4} \mathrm{H}_{10}) sont stockés dans le briquet à l’état liquide et ce butane s’échappe du briquet à l’état gazeux avant de subir une combustion.

Un briquet à gaz


1. Nommer le changement d’état physique qui a lieu avant la combustion.


2. Calculer la quantité de matière de butane contenue dans le briquet.


3. Écrire l’équation de combustion complète du butane.


4. Calculer l’énergie maximale que peut libérer un briquet.


Données

  • M(C4H10)=58,1M(\mathrm{C}_{4} \mathrm{H}_{10})=58\text{,}1 g·mol-1 ;
  • ρ(C4H10)=0,573\rho(\mathrm{C}_{4} \mathrm{H}_{10})=0\text{,}573 kg·L-1 ;
  • Ef=11000E_{\mathrm{f}}=11\,000 kJ·mol-1 ;
  • Ed=8122E_{\mathrm{d}}=8\,122 kJ·mol-1.
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21
Des énergies variées en QCM

RAI/MOD : Faire le lien entre une grandeur macroscopique et un modèle micoscopique

1. Le pouvoir calorifique du propan-2-ol (C3H8O)(\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{8} \mathrm{O}) est égal à :






2. L’énergie de dissociation du pentane (C5H12)(\text{C}_{5} \text{H}_{12}) est égale à :





3. L’énergie de réaction molaire de la combustion du dihydrogène H2\text{H}_{2} est égale à :





Données

  • Er(C3H8O)=2569E_{\text{r}}(\text{C}_{3} \text{H}_{8} \text{O})=-2\,569 kJ·mol-1 ;
  • El(CH)=411E_{\text{l}}(\text{C}-\text{H})=411 kJ·mol-1 ;
  • El(CC)=346E_{\text{l}}(\text{C}-\text{C})=346 kJ·mol-1 ;
  • Pouvoir calorifique du dihydrogène : 142,9142\text{,}9 MJ·kg-1.
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27
Butane ou propane, lequel choisir ?

VAL : Réaliser une analyse comparative

Environ 53 millions de bouteilles de gaz sont vendues chaque année en France auprès de 10 millions de clients. Le choix se fait essentiellement entre du propane et du butane. Comment savoir quel combustible choisir ?

1. Écrire les équations de combustions complètes de chaque gaz.


2. En vous aidant de la table d’énergies des liaisons p. 195, estimer l’énergie molaire de réaction pour la combustion de chacun de ces gaz.


3. Les bouteilles de gaz usuelles contenant 13 kg de combustible, déterminer l’énergie libérée par combustion pour chaque bouteille.


4. D’après les résultats, quelle bouteille de gaz faut-il privilégier ? Justifier par une phrase.


5.
Faire une recherche internet pour expliquer pourquoi deux types de combustibles existent dans le commerce.

Le processus de valorisation des déchets

L’usine de biomasse de Perpignan permet de récupérer chaque année environ 29,5 tonnes de méthane à partir de 90 tonnes de déchets organiques. Après combustion, l’énergie chimique du méthane est transformée en électricité.

Une valorisation possible du dioxyde de carbone CO2\text{CO}_{2} consiste à le capter en sortie d’usine pour le stocker et l’utiliser pour fabriquer des boissons gazeuses notamment.
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24
Mieux isoler pour économiser de l’énergie

APP : Extraire l’information utile

Près de 29 % des Français se chauffent au fioul, un combustible composé essentiellement d’alcanes de formule brute C16H34.\mathrm{C}_{16} \mathrm{H}_{34}. La consommation annuelle d’énergie par m2 pour se chauffer est de 250 kWh. Cette quantité d’énergie représente une réelle part du budget des Français. Pour diminuer la consommation en carburant, une solution est d’améliorer l’isolation des maisons.

1. Déterminer l’énergie minimale A et maximale G consommée pour un logement de 50 m2 en une année.


2. Écrire l’équation de combustion complète du fioul.


3. Déterminer l’énergie molaire de réaction du fioul.


4. Calculer la consommation par année de litres de fioul pour un logement de 50 m2 type A et G.


5. L’isolation de l’habitat est-elle une vraie solution économique ?


6. Déterminer le volume de CO2\text{CO}_{2} émis par ces deux logements de 50 m2 type A et G.


7. Quel autre atout comporte l’isolation de l’habitat ?


Données

  • Un alcane possède CnH2n+2\text{C}_{n} \text{H}_{2 n+2} possède n1n - 1 liaisons CC\text{C} - \text{C} et 2n+22n + 2 liaisons CH\text{C} - \text{H} ;
  • 11 kWh =3,6= 3\text{,}6 MJ ;
  • M(C16H34)=226,4M(C_{16} \mathrm{H}_{34})=226\text{,}4 g·mol-1 ;
  • M(CO2)=44,0M(\mathrm{CO}_{2})=44\text{,}0 g·mol-1 ;
  • ρ(CO2)=1,87\rho(\mathrm{CO}_{2})=1\text{,}87g·L-1 ;
  • ρ(C16H34)=0,773\rho(\text{C}_{16} \text{H}_{34})=0\text{,}773 kg·L-1 ;
  • El(CC)=346E_{\text{l}}(\text{C}-\text{C})=346 kJ·mol-1 ;
  • El(CH)=411E_{\text{l}}(\text{C}-\text{H})=411 kJ·mol-1 ;
  • El(OH)=459E_{\text{l}}(\text{O}-\text{H})=459 kJ·mol-1 ;
  • El(C=O)=749E_{\text{l}}(\text{C}=\text{O})=749 kJ·mol-1 ;
  • El(O=O)=494E_{\text{l}}(\text{O}=\text{O})=494 kJ·mol-1 ;
  • Vm(CO2)=23,5V_{\mathrm{m}}(\mathrm{CO}_{2})=23\text{,}5 L·mol-1.
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25
La banane flambée

RAI/MOD : Appliquer le principe de conservation de l’énergie

La banane flambée est un dessert dans lequel une combustion complète de l’éthanol a lieu.

1. Calculer la quantité de matière d’éthanol nécessaire à la recette de la banane flambée.


2. Calculer l’énergie molaire de réaction de combustion complète de l’éthanol.


3. En déduire l’énergie libérée par combustion lors de cette recette.


Données

  • M(C2H6O)=46M(\text{C}_{2} \text{H}_{6} \text{O})=46 g·mol-1 ;
  • ρ(C2H6O)=0,789\rho(\mathrm{C}_{2} \mathrm{H}_{6} \mathrm{O})=0\text{,}789 kg·L-1 ;
  • El(CC)=346E_{\text{l}}(\text{C}-\text{C})=346 kJ·mol-1 ;
  • El(CH)=411E_{\text{l}}(\text{C}-\text{H})=411 kJ·mol-1 ;
  • El(OH)=459E_{\text{l}}(\text{O}-\text{H})=459 kJ·mol-1 ;
  • El(C=O)=749E_{\text{l}}(\text{C}=\text{O})=749 kJ·mol-1 ;
  • El(CO)=358E_{\text{l}}(\text{C}-\text{O})=358 kJ·mol-1 ;
  • El(O=O)=494E_{\text{l}}(\text{O}=\text{O})=494 kJ·mol-1.

Doc. 1
Recette des bananes flambées

Bananes flambées

Ingrédients pour 5 personnes :
  • 5 bananes ;
  • 15 g de beurre ;
  • 15 cL de rhum ;
  • Un peu de jus de citron ;
  • 4 cuillerées à soupe de sucre roux ;
  • 3 gouttes d’extrait de vanille.
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