La combustion est une réaction chimique qui dégage de l’énergie. Elle fait partie des réactions chimiques qui dégagent de l’énergie. L’énergie de liaison $E_\text{l}$ d’une molécule est l’énergie associée aux liaisons covalentes de celle-ci.
La combustion est une réaction qui consiste à brûler un combustible tel que le charbon, le gaz ou l'essence, généralement en présence d'oxygène. Elle est exothermique, ce qui signifie qu'elle libère beaucoup d'énergie dans l'environnement sous forme de chaleur.
Les réactions de combustion ont de multiples usages différents dans la vie quotidienne, grâce à l'énergie thermique qu'elles dégagent. Par exemple, nous utilisons les réactions de combustion pour :
En fait, il est difficile de penser à une partie de notre existence moderne qui ne repose pas sur la combustion d'une manière ou d'une autre !
Il existe deux types différents de réactions de combustion :
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Elles varient dans leurs conditions, leurs produits et les quantités relatives d'énergie qu'elles libèrent. Examinons-les brièvement.
Dans la combustion complète, un combustible est brûlé en excès d'oxygène. Nous utilisons généralement des hydrocarbures comme combustible. En brûlant un hydrocarbure de cette manière, on oxyde ses atomes de carbone et d'hydrogène, ce qui produit du dioxyde de carbone et de l'eau.
Le plus important est peut-être que la combustion complète libère également beaucoup d'énergie thermique dans l'environnement. L'équation de la combustion complète du méthane est donnée ci-dessous :
$$ CH_{4(g)}+ 2O_{2(g)} \rightarrow CO_{2(g)} + 2H_2O_{(g)} $$
L'enthalpie standard de cette réaction : \( \Delta H_{comb}^{o} = -805.8 \ kJ/mol \) Note le changement d'enthalpie négatif. Cela montre que la réaction est exothermique.
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Dans le cas d'une combustion incomplète, le combustible est brûlé dans un environnement limité en oxygène. Cela signifie qu'il n'y a pas assez d'oxygène pour oxyder complètement tous les atomes de carbone du combustible en dioxyde de carbone. Au lieu de cela, ils sont partiellement oxydés en monoxyde de carbone. Si l'oxygène est vraiment limité, les atomes de carbone ne sont pas du tout oxydés, mais libérés sous forme de carbone pur, sous forme de suie.Bien qu'elle soit toujours exothermique, la combustion incomplète est beaucoup moins efficace que la combustion complète et libère donc moins d'énergie.
Examine les deux équations suivantes pour la combustion incomplète du méthane :
La combustion incomplète du méthane produit du carbone ou du monoxyde de carbone et de l'eau.
Équations possibles de la réaction : \( CH_{4(g)} +O_{2(g)} \rightarrow C_{(s)}+ 2H_2O_{(l)} \) ou\( CH_{4(g)} + \frac{3}{2} O_{2(g)} \rightarrow CO_{(g)} ++2H_2O_{(l)} \) Compare-les à l'équation que nous avons donnée précédemment pour la combustion complète du méthane.
La combustion complète nécessite plus d'oxygène que la combustion incomplète. Ici, la combustion complète nécessite au moins deux moles d'oxygène pour chaque mole de méthane, alors que la combustion incomplète n'en nécessite qu'une seule. La combustion complète libère plus d'énergie que la combustion incomplète. Sache que la combustion libère généralement un mélange des trois produits du carbone : \( CO_{2} \) , \( CO \) et \( C \) . Cependant, nous pouvons privilégier un produit ou un autre en contrôlant la quantité d'oxygène présente lorsque nous brûlons le combustible.
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Lorsqu'on travaille avec un bec Bunsen au laboratoire, la fermeture du trou d'air produit une flamme de sécurité, jaune orange, beaucoup plus facile à voir que la flamme bleue. En revanche, l'ouverture du trou d'air produit une flamme bleue, plus propre, plus chaude et plus dangereuse. La flamme de sécurité est ainsi nommée parce qu'elle est beaucoup plus facile à voir que la flamme bleue, et elle est aussi beaucoup moins chaude. En effet, l'oxygène étant limité, le combustible brûle dans une réaction de combustion incomplète. L'utilisation de la flamme de sécurité fait que le fond de tout bécher placé au-dessus du bec Bunsen devient noir et fuligineux en raison des particules de carbone formées, c'est pourquoi la flamme de sécurité est parfois surnommée la flamme "sale". En revanche, la flamme bleue utilise une combustion complète. Elle libère beaucoup plus d'énergie en brûlant, ce qui donne une flamme plus propre, plus chaude et plus dangereuse.
Les réactions de combustion lente sont des réactions de combustion qui se produisent à des températures relativement basses. Ce type de réaction se produit en fait à l'intérieur de notre corps. La respiration cellulaire est une réaction de combustion lente ; la respiration cellulaire implique la combustion du glucose. Comme pour les autres réactions de combustion, le glucose a besoin d'oxygène pour brûler, et les produits sont le dioxyde de carbone et l'eau. De l'énergie est également libérée lors de la respiration cellulaire.
$$ C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + énergie $$
Tout au long de ta formation de chimiste, on t'a probablement dit de toujours écrire des équations avec des nombres entiers. Les équations de combustion sont une exception à cette règle. Ici, la réaction d'une demi-mole de molécules d'oxygène est parfaitement acceptable. Il est considéré comme standard d'écrire les réactions de combustion en utilisant une mole du combustible. Cela est dû à la définition du changement d'enthalpie standard de combustion, qui examine le changement d'enthalpie lorsqu'une mole d'une substance est brûlée dans un excès d'oxygène dans des conditions standards.
Voici comment écrire et équilibrer des équations pour la combustion (complète) d'hydrocarbures :
L'écriture d'équations pour une combustion incomplète suit un processus similaire. Cependant, tu dois te rappeler que tu produis du monoxyde de carbone (ou du carbone pur) au lieu du dioxyde de carbone. Par conséquent, tu auras besoin de moins de moles d'oxygène. Cependant, tu auras toujours besoin du même nombre de moles du produit à base de carbone et du même nombre de moles d'eau.
Écris une équation pour :
Commençons par la combustion complète du propane. Dans l'équation non équilibrée, nous brûlons une mole de propane \( (C_3H_8) \) dans une quantité inconnue d'oxygène \( (O_2) \) pour produire des quantités inconnues de dioxyde de carbone \( (CO_2) \) et d'eau \( (H_2O) \) :
$$ C_3H_8 +xO_2 \rightarrow xCO_2 +x H_2O $$
\( C_3H_8 \) contient trois atomes de carbone. Par conséquent, nous produisons trois moles de \( CO_2 \) :
$$ C_3H_8 +O_2 \rightarrow 3CO_2 +H_2O $$
\( C_3H_8 \) contient également huit atomes d'hydrogène. Note que chaque molécule de \( H_2O \) contient deux atomes d'hydrogène. Par conséquent, nous produisons seulement quatre moles de \( H_2O \) :
$$ C_3H_8 +xO_2 \rightarrow 3CO_2 +4H_2O $$
Il ne nous reste plus qu'à équilibrer les atomes d'oxygène. Nous avons des atomes d'oxygène provenant de nos trois moles de \( CO_2 \) , et des atomes d'oxygène provenant de nos quatre moles de \( H_2O \) . Cela nous donne dix atomes d'oxygène au total. Une fois encore, note que chaque molécule de \( O_2 \) contient deux atomes d'oxygène. Par conséquent, nous avons besoin de \( 5 \) moles de \( O_2 \) . Voici notre réponse finale :
$$ C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 +4H_2O $$
Dans la partie b, nous produisons du monoxyde de carbone \( (CO) \) au lieu du dioxyde de carbone. Là encore, nous produisons trois moles du produit à base de carbone et quatre moles de \( H_2O \) . Mais cette fois, nous ne produisons que \( 3(1) =3 plus4(1) =4 \) d'atomes d'oxygène, ce qui nous donne un total de sept. Par conséquent, nous n'avons besoin que de \( \frac{7}{2} \) moles de \( O_2 \) :
$$ C_3H_8 + \frac{7}{2} O_2 \rightarrow 3CO +4H_2O $$
Dans la partie c, nous produisons une seule mole de monoxyde de carbone \( (CO) \) et deux moles de carbone pur \( (C) \) . Cela nous donne nos trois moles de produits à base de carbone. Là encore, nous produisons également quatre moles de \( H_2O \) . Au total, nous avons \( 1(1) =1 plus 2(0) =0 plus 4(1) =4 \) d'atomes d'oxygène, ce qui fait cinq. Par conséquent, nous n'avons besoin que de \( \frac{5}{2} \) moles de \( O_2 \) :
$$ C_3H_8 + \frac{5}{2}O_2 \rightarrow 1CO +2C +4H_2O $$
Les réactions de combustion jouent un rôle important dans notre vie. En particulier, nous dépendons de combustibles fabriqués à partir d'hydrocarbures, tels que le charbon, le gaz et les dérivés du pétrole brut. Cependant, la pression exercée sur les gouvernements, les entreprises et les consommateurs pour qu'ils abandonnent les hydrocarbures et se tournent vers les sources d'énergie renouvelables ne cesse de croître. Cela est dû en partie aux produits des réactions de combustion des hydrocarbures et à leurs impacts négatifs sur l'environnement.
La combustion complète des hydrocarbures libère du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone peut être un problème en raison de son statut de puissant gaz à effet de serre. Un gaz à effet de serre est un gaz qui piège le rayonnement solaire réfléchi par la Terre, au lieu de le laisser traverser l'atmosphère et retourner dans l'espace.
En piégeant la chaleur solaire, les gaz à effet de serre réchauffent la planète et contribuent au réchauffement climatique. La tendance est claire : depuis le début de la révolution industrielle, lorsque nous avons commencé à brûler des hydrocarbures à grande échelle (et donc à augmenter rapidement les niveaux de particules de dioxyde de carbone dans l'atmosphère), les températures moyennes de la planète ont grimpé en flèche. Actuellement, notre planète est environ \( 1,1 °C \) plus chaude qu'en 1880, date du début des relevés de température . L'augmentation de la température s'est accompagnée d'un nombre croissant de cas de conditions météorologiques extrêmes, de mauvaises récoltes et d'extinctions massives.
Contrairement à la combustion complète, la combustion incomplète ne produit pas de dioxyde de carbone. En revanche, elle libère du monoxyde de carbone et du carbone pur à la place. Ces produits ne sont pas beaucoup mieux que leur cousin à effet de serre !
Par exemple, le monoxyde de carbone est très toxique pour les humains et les animaux. Les particules de carbone provenant de la suie, quant à elles, peuvent provoquer des irritations respiratoires, certains cancers et un assombrissement de la planète.
Malheureusement, les produits à base de carbone et l'eau ne sont pas les seuls produits de la combustion. En effet, nos combustibles sont généralement impurs - ils sont truffés de contaminants. Ces impuretés sont ensuite libérées dans l'atmosphère lorsque les combustibles sont brûlés. L'une de ces impuretés courantes est le soufre, qui brûle pour produire du dioxyde de soufre. Le dioxyde de soufre réagit ensuite avec l'oxygène et l'eau présents dans l'air pour former des pluies acides.
Les combustions sont des transformations chimiques nécessitant un comburant (généralement le dioxygène), un combustible et une source d'énergie. Les combustions du carbone et du butane sont des transformations chimiques car lorsqu'elles se déroulent le système chimique évolue : des réactifs sont consommés et des produits sont formés. Les réactions chimiques modélisent les transformations chimiques. Les équations de réactions chimiques doivent respecter la conservation des atomes, qui a pour conséquence la conservation de la masse.
Une transformation chimique se caractérise par l'évolution d'un système chimique. Les réactifs sont consommés et les produits sont formés. Le système chimique est défini par l'ensemble des espèces chimiques qui sont contenues dans un espace donné.
Comme pour les combustions du carbone et du butane, toutes les transformations chimiques se caractérisent par une évolution du système chimique entre un état initial et un état final.
Lors d'une transformation chimique, les réactifs sont les espèces chimiques qui sont consommées. Lors de la combustion du butane, le butane et le dioxygène sont consommés, ce sont donc les réactifs.
Lors d'une transformation chimique, les produits sont les espèces chimiques qui sont formées. Lors de la combustion du butane, l'eau et le dioxyde de carbone sont formés, ce sont donc les produits.
Il ne faut pas confondre un changement d'état, appelé aussi « transformation physique », et une transformation chimique. Contrairement à une transformation chimique, lors d'un changement d'état, la composition du système n'évolue pas.
Les combustions sont des transformations chimiques. Elles sont le siège de l'évolution du système chimique : un combustible réagit avec un comburant, généralement le dioxygène.
La combustion est une transformation chimique nécessitant un comburant, un combustible et une source d'énergie. Une combustion est une réaction chimique qui dégage de la chaleur entre :
Dans un feu de cheminée, le bois est le combustible et le dioxygène présent dans l'air est le comburant.
Une source d'énergie (chaleur, étincelle, etc.) est nécessaire pour que la combustion démarre. Les trois éléments (combustible, comburant et source d'énergie) représentent le triangle de feu : si un seul manque, il est impossible de réaliser une combustion.
La combustion du carbone est une transformation chimique entre le carbone et le dioxygène, elle produit du dioxyde de carbone.
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