Cours : Les combustions

Carburant et combustible

Les combustibles et carburants (combustibles pour moteurs à explosion) usuels appartiennent à trois familles :

alcane

éthane en 3D
éthane développé

Formule brute CnH2n+2

Exemples : CH4, C3H8

alcène

éthène 3D
éthène développé

Formule brute CnH2n

Exemples : C2H4, C3H6

alcool

éthanol 3D
éthanol formule

Formule brute CnH2nO

Exemples : CH4O, C3H8O

Ces molécules sont essentiellement constituées d'atomes de carbone (C) et d'hydrogène (H) : ce sont des hydrocarbures.


Leur combustion complète donnera donc comme produits du dioxyde de carbone (CO2)et de l'eau (H2O), des composés ne pouvant plus brûler (d'où le nom de combustion complète).

Équation de combustion

Pour équilibrer on procèdera toujours dans la même ordre :

Étape 1

Noter les réactifs et produits

C_3H_8 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O

Étape 2

Équilibrer les atomes de carbone C grâce au CO2

C_3H_8 + O_2 \rightarrow 3 \, CO_2 + H_2O

Étape 3

Équilibrer les atomes de carbone H grâce à H2O

C_3H_8 + O_2 \rightarrow 3 \, CO_2 + 4 , H_2O

Étape 4

Équilibrer les atomes d'oxygène O grâce à O2

C_3H_8 + 5 ,O_2 \rightarrow 3 \, CO_2 + 4 , H_2O

Ci-dessous trois vidéos détaillant l'équilibrage pour les trois familles de combustibles.

Combustion du propane

Combustion du benzène

Combustion de l'éthanol

Bilan de matière

L'équation chimique équilibrée de la combustion est la "recette" de cette équation. Elle donne les proportions des quantités de matière (en mol) des réactifs et produits.


Il va donc falloir transformer les quantités de réactifs utilisés (qui peuvent être des masses ou des volumes) en quantité de matière afin de pouvoir utiliser les proportions de l'équation de réaction.

Exercice

Un barbecue à gaz est alimenté avec une bouteille de butane (C4H10) de 13 kg.

Données :

Volume molaire des gaz : Vm = 22,4 L.mol-1 ;

Masses molaires (en g.mol-1) : M(H)=1   M(C)=12   M(O)=16

Questions :

1. Écrire et équilibrer l'équation de la combustion complète du butane dans le dioxygène.

2. Calculer la quantité de matière de butane présente dans les 13kg.

3. En déduire la quantité de dioxygène nécessaire pour réaliser la combustion des 13 kg de butane.

4. Calculer le volume de dioxygène que cela représente.

5. Calculer la quantité de matière de dioxyde de carbone produit.

6. Quelle masse de dioxyde de carbone sera créé par la combustion des 13kg de butane ?

CORRECTION

1. C_4H_{10} + \frac{13}{2} ,O_2 \rightarrow 4 , CO_2 + 5 , H_2O


2. On commence par calculer la quantité de matière que représentent les 13 kg de butane.

\large n_{butane}=\frac{m_{butane}}{M_{butane}}=\frac{13.10^3}{58}=224 , mol


3. D'après l'équation de réaction on sait qu'il faut 13/2 mol de dioxygène pour 1 mol de butane donc la quantité de dioxygène nécessaire vaut :

\large n_{O_2}=\frac{13}{2} \times n_{C_4H_{10}} = 1457 , mol (à écrire 1,5.103 mol)


4. On peut en déduire le volume de dioxygène nécessaire :

\large V_{dioxygène}=n_{dioxygène} \times V_m=1457 \times 22,4=32 , m^3


5. La quantité de dioxyde de carbone produit est égale à 4 fois celle de butane brûlé (d'après l'équation).

\large n_{CO_2}=4 \times n_{C_4H_{10}} =4 \times 1457 =5,8.10^3 , mol


6. La masse de dioxyde de carbone produit vaut donc :

\large m_{CO_2}=n_{CO_2} \times M_{CO_2} =5,8.10^3 \times 44=25,6 , kg

Bilan énergétique

Le bilan énergétique d'un système (chaudière par exemple) permet de déterminer son rendement.


Les anciens systèmes de chauffage se contentaient de "chauffer" le liquide de l'installation. Les systèmes "à condensation" permettent en plus de récupérer l'énergie se trouvant dans la vapeur d'eau produite lors de la combustion (voir équation). Le rendement passe ainsi de 80% à plus de 90%.

principe chaudière à condensation

Q_{eau}=Q_{combustion}

avec

Q_{combustion}=m_{combustible} \times PCI

Q_{eau}=Q_{combustion}+Q_{condensation}

avec

Q_{condensation}=m_{vapeur d'eau} \times L_V(eau)

diagramme chaudière à condensation

Pour un combustible on pourra donc définir le PCI (énergie utilisable par combustion classique) et le PCS (énergie utilisable par combustion et condensation).

  • Énergie récupérée par une chaudière classique : Q=m_{combustible} \times PCI
  • Énergie récupérée par une chaudière à condensation : Q=m_{combustible} \times PCS


Le PCS (pouvoir calorifique Supérieur) est bien sûr plus grand que le PCI (pouvoir calorifique inférieur) et s'exprime en J/kg.

Réchauffement climatique

Les gaz présents dans l'atmosphère piègent naturellement une partie de l'énergie issue du soleil et issue de la Terre. C'est ce phénomène qui permet à la Terre d'avoir une température moyenne de 10°C et d'y permettre la vie.

Cependant l'industrialisation à produit d'énormes quantités de gaz augmentant l'effet de serre (CO2, méthane CH4, H2O...) ce qui, au lieu de simplement stabiliser la température à la surface de la Terre, la fait augmenter.


Il y a donc urgence aujourd'hui à contrôler ces émissions.

dessin représentant la Terre qui a chaud
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