Chapitre 12 : Comment produire de l énergie par combustion?

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1 Chapitre 12 : Comment produire de l énergie par combustion? G. GREDAT Cours de 1STL 19 avril 2017 G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

2 La combustion dans l habitat G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

3 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions Plan du cours 1 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions Équation de combustion 2 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Transformations exothermiques Énergie libérée et pouvoir calorifique 3 Risques et protection Risques des combustions incomplètes Pictogrammes et précautions d emploi Protections dans l habitat 4 Bilan de matière d une combustion Stœchiométrie Avancement et tableau d avancement Réactif limitant et bilan de quantité de matière Relation quantité de matière et volume pour un gaz G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

4 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions Particulière? La première réaction chimique maîtrisée par l homme! G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

5 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions 1 Comburant : dioxygène O 2(g) 2 Combustibles : matière capable de brûler en présence de O 2(g) solide : bois, charbon,... liquide : (bio)carburants, hydrocarbures de formule C n H m (n > 4), alcool, huile,... gaz : dihydrogène, hydrocarbures (n 4) comme le méthane, le propane, le butane,... 3 Énergie d activation : source de chaleur G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

6 Une réaction chimique particulière : la combustion Équation de combustion Plan du cours 1 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions Équation de combustion 2 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Transformations exothermiques Énergie libérée et pouvoir calorifique 3 Risques et protection Risques des combustions incomplètes Pictogrammes et précautions d emploi Protections dans l habitat 4 Bilan de matière d une combustion Stœchiométrie Avancement et tableau d avancement Réactif limitant et bilan de quantité de matière Relation quantité de matière et volume pour un gaz G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

7 Une réaction chimique particulière : la combustion Équation de combustion Cas d un hydrocarbure Combustion complète En présence d un excès de comburant, la combustion est dite complète et les seuls produits sont le CO 2(g) et la vapeur d eau H 2 O (g) G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

8 Une réaction chimique particulière : la combustion Équation de combustion Cas d un hydrocarbure Combustion complète En présence d un excès de comburant, la combustion est dite complète et les seuls produits sont le CO 2(g) et la vapeur d eau H 2 O (g) Pour un hydrocarbure C n H m, on a : ( C n H m + n + m ) O 2(g) n CO 2(g) + m 4 2 H 2O (g) G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

9 Une réaction chimique particulière : la combustion Équation de combustion Cas d un hydrocarbure Combustion complète En présence d un excès de comburant, la combustion est dite complète et les seuls produits sont le CO 2(g) et la vapeur d eau H 2 O (g) Pour un hydrocarbure C n H m, on a : ( C n H m + n + m ) O 2(g) n CO 2(g) + m 4 2 H 2O (g) NE PAS RETENIR G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

10 Une réaction chimique particulière : la combustion Équation de combustion Cas d un hydrocarbure Combustion complète En présence d un excès de comburant, la combustion est dite complète et les seuls produits sont le CO 2(g) et la vapeur d eau H 2 O (g) Combustible + O 2(g) CO 2(g) + H 2 O (g) Méthode infaillible 1 On équilibre les C ; 2 On équilibre les H ; 3 On multiplie tout par 2 s il y en a un nombre impair de O dans les produits ; 4 On équilibre les O. G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

11 Une réaction chimique particulière : la combustion Équation de combustion Exercice Écrire l équation de la combustion complète : du méthane CH 4(g) ; du benzène C 6 H 6(l) ; de la paraffine C 25 H 52(s). G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

12 Une réaction chimique particulière : la combustion Équation de combustion Réponses Méthane CH 4(g) : Benzène C 6 H 6(l) : CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) Paraffine C 25 H 52(s) : 2 C 6 H 6(l) + 15 O 2(g) 12 CO 2(g) + 6 H 2 O (g) C 25 H 52(s) + 38 O 2(g) 25 CO 2(g) + 26 H 2 O (g) G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

13 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Transformations exothermiques Plan du cours 1 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions Équation de combustion 2 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Transformations exothermiques Énergie libérée et pouvoir calorifique 3 Risques et protection Risques des combustions incomplètes Pictogrammes et précautions d emploi Protections dans l habitat 4 Bilan de matière d une combustion Stœchiométrie Avancement et tableau d avancement Réactif limitant et bilan de quantité de matière Relation quantité de matière et volume pour un gaz G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

14 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Transformations exothermiques Définition De nombreuses réactions chimiques libèrent de l énergie sous forme thermique à leur issue : elles sont dites exothermiques! Remarque : on parle de réaction endothermique quand un apport d énergie est nécessaire. G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

15 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Énergie libérée et pouvoir calorifique Plan du cours 1 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions Équation de combustion 2 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Transformations exothermiques Énergie libérée et pouvoir calorifique 3 Risques et protection Risques des combustions incomplètes Pictogrammes et précautions d emploi Protections dans l habitat 4 Bilan de matière d une combustion Stœchiométrie Avancement et tableau d avancement Réactif limitant et bilan de quantité de matière Relation quantité de matière et volume pour un gaz G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

16 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Énergie libérée et pouvoir calorifique Pouvoir calorifique Pouvoir calorifique Le pouvoir calorifique (PC) est l énergie thermique libérée lors de la réaction de combustion complète du combustible avec l oxygène. Elle s exprime en général en joules par kg de combustible (J.kg 1 ) mais on rencontre aussi le pouvoir calorifique molaire (J.mol 1 ). Combustible Charbon Gaz naturel Essence Fioul PC (en MJ.kg 1 ) Combustible Méthane Bois Éthanol Huile de tournesol PC (en MJ.kg 1 ) G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

17 Risques et protection Risques des combustions incomplètes Plan du cours 1 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions Équation de combustion 2 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Transformations exothermiques Énergie libérée et pouvoir calorifique 3 Risques et protection Risques des combustions incomplètes Pictogrammes et précautions d emploi Protections dans l habitat 4 Bilan de matière d une combustion Stœchiométrie Avancement et tableau d avancement Réactif limitant et bilan de quantité de matière Relation quantité de matière et volume pour un gaz G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

18 Risques et protection Risques des combustions incomplètes G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

19 Risques et protection Risques des combustions incomplètes Combustion incomplète Lorsque l apport en dioxygène est insuffisant, on parle de combustion incomplète et d autres espèces chimiques potentiellement toxiques sont susceptibles de se former. Gaz polluants, asphyxiant et toxiques : Les oxydes d azote NO x ; Le monoxyde de carbone CO : Le dioxyde de soufre SO 2 ; etc... incolore, inodore, insipide et non irritant intoxications par an ; G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

20 Risques et protection Pictogrammes et précautions d emploi Plan du cours 1 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions Équation de combustion 2 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Transformations exothermiques Énergie libérée et pouvoir calorifique 3 Risques et protection Risques des combustions incomplètes Pictogrammes et précautions d emploi Protections dans l habitat 4 Bilan de matière d une combustion Stœchiométrie Avancement et tableau d avancement Réactif limitant et bilan de quantité de matière Relation quantité de matière et volume pour un gaz G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

21 Risques et protection Pictogrammes et précautions d emploi Combustible Bioéthanol Fioul domestique Essence Pictogramme Précaution d emploi À l écart des sources de chaleur Gants, protection Éviter l exposition Combustible Butane Méthane Pictogramme Précaution d emploi À l écart des sources de chaleur À l écart des sources de chaleur G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

22 Risques et protection Protections dans l habitat Plan du cours 1 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions Équation de combustion 2 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Transformations exothermiques Énergie libérée et pouvoir calorifique 3 Risques et protection Risques des combustions incomplètes Pictogrammes et précautions d emploi Protections dans l habitat 4 Bilan de matière d une combustion Stœchiométrie Avancement et tableau d avancement Réactif limitant et bilan de quantité de matière Relation quantité de matière et volume pour un gaz G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

23 Risques et protection Protections dans l habitat Le 18 G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

24 Risques et protection Protections dans l habitat Détecteur de fumée et sprinkler Les extincteurs : Eau Poudre CO 2 G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

25 Stœchiométrie Plan du cours 1 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions Équation de combustion 2 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Transformations exothermiques Énergie libérée et pouvoir calorifique 3 Risques et protection Risques des combustions incomplètes Pictogrammes et précautions d emploi Protections dans l habitat 4 Bilan de matière d une combustion Stœchiométrie Avancement et tableau d avancement Réactif limitant et bilan de quantité de matière Relation quantité de matière et volume pour un gaz G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

26 Stœchiométrie Lors d une réaction chimique, les réactifs sont consommés et les produits sont formés dans les proportions indiquées par les coefficients stœchiométriques. Exemple : Combustion du méthane CH 4(g) + O 2(g) CO 2(g) + H 2 O (g) «... moles de méthane réagit avec... moles de dioxygène pour donner... moles de dioxyde de carbone et... moles de vapeur d eau» G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

27 Stœchiométrie Lors d une réaction chimique, les réactifs sont consommés et les produits sont formés dans les proportions indiquées par les coefficients stœchiométriques. Exemple : Combustion du méthane CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) «1 mole de méthane réagit avec 2 moles de dioxygène pour donner 1 mole de dioxyde de carbone et 2 moles de vapeur d eau» G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

28 Avancement et tableau d avancement Plan du cours 1 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions Équation de combustion 2 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Transformations exothermiques Énergie libérée et pouvoir calorifique 3 Risques et protection Risques des combustions incomplètes Pictogrammes et précautions d emploi Protections dans l habitat 4 Bilan de matière d une combustion Stœchiométrie Avancement et tableau d avancement Réactif limitant et bilan de quantité de matière Relation quantité de matière et volume pour un gaz G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

29 Avancement et tableau d avancement Avancement d une réaction L avancement x d une réaction représente la quantité de matière (en mol) qui a réagit. Ainsi au cours de la combustion du méthane : CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) on peut dire : «x moles de méthane réagissent avec 2x moles de dioxygène pour donner x moles de dioxyde de carbone et 2x moles de vapeur d eau». G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

30 Avancement et tableau d avancement Tableau d avancement Le tableau d avancement établit un bilan de matière au cours de l avancement de la transformation : Équation de la réaction : CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) État du système Avancement Quantités de matière (mol) État initial 0 Au cours de la transformation x État final x max G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

31 Avancement et tableau d avancement Tableau d avancement Le tableau d avancement établit un bilan de matière au cours de l avancement de la transformation : Équation de la réaction : CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) État du système Avancement Quantités de matière (mol) État initial 0 n 0 Excès 0 0 Au cours de la transformation x État final x max G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

32 Avancement et tableau d avancement Tableau d avancement Le tableau d avancement établit un bilan de matière au cours de l avancement de la transformation : Équation de la réaction : CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) État du système Avancement Quantités de matière (mol) État initial 0 n 0 Excès 0 0 Au cours de la transformation x n 0 x État final x max Au cours de la transformation : x moles de méthane ont été consommées, ont disparu. S il y avait initialement n 0 moles, il en reste n 0 x. G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

33 Avancement et tableau d avancement Tableau d avancement Le tableau d avancement établit un bilan de matière au cours de l avancement de la transformation : Équation de la réaction : CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) État du système Avancement Quantités de matière (mol) État initial 0 n 0 Excès 0 0 Au cours de la transformation x n 0 x Excès État final x max n 0 x max Excès Au cours de la transformation : x moles de méthane ont été consommées, ont disparu. S il y avait initialement n 0 moles, il en reste n 0 x. Dans l air, O 2 est en excès. G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

34 Avancement et tableau d avancement Tableau d avancement Le tableau d avancement établit un bilan de matière au cours de l avancement de la transformation : Équation de la réaction : CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) État du système Avancement Quantités de matière (mol) État initial 0 n 0 Excès 0 0 Au cours de la transformation x n 0 x Excès x État final x max n 0 x max Excès x max Au cours de la transformation : x moles de méthane ont été consommées, ont disparu. S il y avait initialement n 0 moles, il en reste n 0 x. Dans l air, O 2 est en excès. On est passé de rien à x moles de CO 2 produites et 2 x moles de vapeur d eau sont apparues. G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

35 Avancement et tableau d avancement Tableau d avancement Le tableau d avancement établit un bilan de matière au cours de l avancement de la transformation : Équation de la réaction : CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) État du système Avancement Quantités de matière (mol) État initial 0 n 0 Excès 0 0 Au cours de la transformation x n 0 x Excès x 2 x État final x max n 0 x max Excès x max 2 x max Au cours de la transformation : x moles de méthane ont été consommées, ont disparu. S il y avait initialement n 0 moles, il en reste n 0 x. Dans l air, O 2 est en excès. On est passé de rien à x moles de CO 2 produites et 2 x moles de vapeur d eau sont apparues. G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

36 Réactif limitant et bilan de quantité de matière Plan du cours 1 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions Équation de combustion 2 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Transformations exothermiques Énergie libérée et pouvoir calorifique 3 Risques et protection Risques des combustions incomplètes Pictogrammes et précautions d emploi Protections dans l habitat 4 Bilan de matière d une combustion Stœchiométrie Avancement et tableau d avancement Réactif limitant et bilan de quantité de matière Relation quantité de matière et volume pour un gaz G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

37 Réactif limitant et bilan de quantité de matière Réactif limitant Le réactif limitant est le réactif qui est entièrement consommé à la fin de la transformation. Puisque le dioxygène est en excès dans l atmosphère, le réactif limitant dans la combustion complète du méthane, c est le méthane! Remarque : Dans toute combustion complète, le réactif limitant est le combustible. G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

38 Réactif limitant et bilan de quantité de matière Bilan de quantité de matière À l état final, la quantité de matière du méthane limitant vaut 0 mol! Équation de la réaction : CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) État du système Avancement Quantités de matière (mol) État initial 0 n 0 Excès 0 0 Au cours de la transformation x n 0 x Excès x 2 x État final x max n 0 x max = 0 Excès x max = n 0 2 x max = 2 n 0 Si l on avait initialement n 0 = 2 mol de méthane, à l état final on a : Plus de méthane donc n 0 x max = 0, soit x max = n 0 ; Toujours un excès de dioxygène ; x max = 2 mol de dioxyde de carbone ; 2 x max = 4 mol de vapeur d eau. G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

39 Réactif limitant et bilan de quantité de matière Exercice Remplir le tableau d avancement pour la combustion complète de n 0 = 3 mol de méthane dans un milieu contenant déjà 1 mole de CO 2! Équation de la réaction : CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) État du système Avancement Quantités de matière (mol) État initial 0 Excès Au cours de la transformation x Excès État final x max Excès G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

40 Réactif limitant et bilan de quantité de matière Exercice Remplir le tableau d avancement pour la combustion complète de n 0 = 3 mol de méthane dans un milieu contenant déjà 1 mole de CO 2! Équation de la réaction : CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) État du système Avancement Quantités de matière (mol) État initial 0 3 Excès 1 0 Au cours de la transformation x 3 x Excès 1 + x 2 x État final x max 3 x max = 0 Excès = = 6 G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

41 Réactif limitant et bilan de quantité de matière Cas d un biocarburant Le bioéthanol C 2 H 5 OH (l) est obtenu par fermentation de sucres par des levures. L éthanol peut remplacer partiellement ou totalement l essence. Réaliser le bilan de quantité de matière de la combustion complète de n 0 = 7 mol de bioéthanol : C 2 H 5 OH (l) + O 2(g) CO 2(g) + H 2 O (g) G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

42 Réactif limitant et bilan de quantité de matière Cas d un biocarburant Équation de la réaction : + + État Avanc. Quantités de matière (mol) État initial 0 Au cours de la transformation x État final x max G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

43 Réactif limitant et bilan de quantité de matière Cas d un biocarburant C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2(g) 2 CO 2(g) + 3 H 2 O (g) Équation de la réaction : C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2(g) 2 CO 2(g) + 3 H 2 O (g) État Avanc. Quantités de matière (mol) État initial 0 7 mol Excès 0 0 Au cours de la transformation x 7 mol x Excès 2 x 3 x État final x max 0 Excès 2 x max = 14 mol 3 x max = 21 mol 7 mol x max = 0 donc x max = 7 mol. G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

44 Relation quantité de matière et volume pour un gaz Plan du cours 1 Une réaction chimique particulière : la combustion Définitions Équation de combustion 2 Conversion d énergie chimique en énergie thermique Transformations exothermiques Énergie libérée et pouvoir calorifique 3 Risques et protection Risques des combustions incomplètes Pictogrammes et précautions d emploi Protections dans l habitat 4 Bilan de matière d une combustion Stœchiométrie Avancement et tableau d avancement Réactif limitant et bilan de quantité de matière Relation quantité de matière et volume pour un gaz G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

45 Relation quantité de matière et volume pour un gaz Relation quantité de matière et volume La quantité de matière n (en mol) d un gaz (supposé parfait) qui occupe un volume V (en L) est donnée par la relation : n = V V m, où V m (en L.mol 1 ) est le volume molaire. Il dépend des conditions (T,P) mais pas de la nature du gaz. Exemple : À (273 K, 1 bar) V m = 22, 4 L.mol 1 donc 2 mol de gaz (que ce soit du méthane ou bien de la vapeur d eau) représentent 44,8 L! G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

46 Relation quantité de matière et volume pour un gaz Exercice Pour renouveler l eau lors d un long vol spatial habité, on envisage la synthèse suivante : H 2(g) + O 2(g) H 2 O (l) De quel volume de dihydrogène doit-on disposer pour fabriquer 1 kg d eau? Données : M (H) = 1, 0 g.mol 1 ; M (O) = 14, 0 g.mol 1 ; V m = 22, 4 L.mol 1. G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

47 Relation quantité de matière et volume pour un gaz Réponse Équation de la réaction : H 2(g) + O 2(g) H 2O (l) État du système Avancement Quantités de matière (mol) État initial 0 Au cours de la transformation x État final x max G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

48 Relation quantité de matière et volume pour un gaz Réponse Équation de la réaction : 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2O (l) État du système Avancement Quantités de matière (mol) État initial 0 n 0 Excès 0 Au cours de la transformation x n 0 2 x Excès 2 x État final x max n 0 2 x max Excès 2 x max On forme 1 kg d eau quand m (H 2 O) = n (H 2 O) M (H 2 O) = g donc 2 x max M (H 2 O) = g, donc x max = M (H 2 O) = = 27, 78 mol G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

49 Relation quantité de matière et volume pour un gaz Il faut donc initialement au moins n 0 = 2 x max = 55, 56 mol. À (273 K, 1 bar), on a : avec V m = 22, 4 L.mol 1, donc : n 0 = V V m V = n 0 V m = 55, 56 22, 4 = L G. GREDAT (Cours de 1STL) Combustion 19 avril / 49

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