CHAPITRE 8 : Énergie et réactions chimiques

Objectifs :

— Citer des exemples de combustibles usuels.
— Écrire l'équation de réaction complète d'un alcane et d'un alcool.
— Estimer l'énergie molaire de réaction pour une transformation en phase gazeuse.
— Citer des applications usuelles qui mettent en œuvre des combustions et les risques associés.

I. Modélisation d'une combustion

1. La transformation chimique

Une combustion est une transformation chimique exothermique qui nécessite trois éléments que l'on regroupe dans le triangle du feu :
- Un combustible, qui est une substance chimique ayant la propriété de brûler.
- Un comburant, une substance chimique qui, sous certaines conditions et associée à un combustible, permet, grâce à un apport initial d'énergie, d'initier une réaction de combustion. Le principal comburant est le dioxygène de l'air.
- Une énergie d'activation (flamme, étincelle, augmentation de température) qui permet d'amorcer la combustion.

2. Les combustibles

Toutes les molécules organiques qui contiennent principalement des atomes de carbone (C) et d'hydrogène (H) sont des combustibles. Deux familles de molécules organiques sont très utilisées en tant que combustibles : les alcanes (CnH2n+2) et les alcools (CnH2n+2O).

3. Équation de combustion d'une réaction de combustion

La combustion complète d'un alcane ou d'un alcool en présence de dioxygène produit uniquement de l'eau et du dioxyde de carbone :
$$Alcane/Alcool + dioxygène \longrightarrow eau + dioxyde de carbone$$
Au cours de la combustion, le combustible se lie avec le dioxygène donc il joue le rôle de réducteur et le dioxygène joue le rôle d'oxydant. Ainsi, une combustion peut-être modélisée par une réaction d'oxydo-réduction en phase gazeuse.
Remarque : Lors d'une combustion, si le dioxygène n'est pas en quantité suffisante, la combustion devient incomplète et produit du carbone et du monoxyde de carbone en plus des autres produits de la combustion complète.

II. Aspect énergétique d'une combustion

1. Énergies molaires de liaison El

L'énergie molaire de liaison El d'une molécule diatomique AB est l'énergie qu'il faut fournir pour rompre les liaisons d'une mole de molécules AB à l'état gazeux, en ses deux atomes A et B à l'état gazeux. Elle est toujours positive et s'exprime en joules par mole (J.mol-1).
Pour calculer l'énergie molaire de liaison d'une molécule polyatomique, on effectue la somme des énergies de liaisons de toutes les liaisons présentes dans la molécule. Il faut donc dresser une liste complète de toutes les liaisons qui la compose en dessinant son schéma de Lewis.

2. Énergies molaires de réactions Er

L'énergie molaire de réaction Er est l'énergie associée à l'équation d'une transformation chimique. Elle a pour expression :
$$E_{r} = \Sigma E_{l}(r\acute eactifs) - \Sigma E_{l}(produits)$$
Pour une combustion complète, l'énergie molaire de réaction est l'énergie correspondant à la combustion d'une mole de combustible. On l'appelle l'énergie molaire de combustion, elle est toujours négative. La combustion et une réaction exothermique.

3. Énergies de réaction

L'énergie de réaction E mise en jeu lors de la combustion complète d'une quantité de matière $n$ de combustible est :
$$E = n \times E_{r}$$
Avec E en J, n en mol et Er en J.mol-1.

4. Pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique PC d'un combustible est l'énergie qu'un kilogramme de combustible peut céder à l'environnement lors de sa combustion complète. On peut calculer l'énergie E produite par une masse m de combustible avec la relation suivante :
$$E = m \times PC$$
Avec E en J, m en kg et PC en J.kg-1

III. Combustions et enjeux de société

La question énergétique est au cœur des préoccupations internationales. En effet, l'économie mondiale se trouve face à un double défi : répondre aux besoins énergétiques croissants afin de contribuer au développement des pays les plus pauvres tout en réduisant l'impact environnemental de l'utilisation de ces énergies.

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