Combustions
Une combustion est une réaction
exothermique d'oxydoréduction.
L'oydant est appelé comburant et est
le plus souvent du dioxygène $\ce{O2 (g)}$.
Le réducteur est le combustible,
une espèce organique.
Une combustion convertit l’énergie stockée
dans la matière organique.
Lors de la combustion complète d’un alcane
ou d’un alcool, les deux uniques produits sont :
- le dioxyde de carbone ($\ce{CO2 (g)}$)
- la vapeur d'eau ($\ce{H2O (g)}$)
Exemple de la combustion complète
du méthane ($\ce{CH4 (g)}$).
Les deux couples oxydant-réducteur sont $(\ce{O2 (g)/H2O (g)})$ et $(\ce{CO2 (g)/CH4 (g)})$.
- Demi-équation d'oxydation du méthane :
$\ce{CH4 (g) +2 H2O (g) = CO2 (g) + 8 H+ + 8 e-}$ - Demi-équation de réduction du dioxygène :
$\ce{O2 (g) +4 H+ + 4 e- = 2 H2O (g)}$
Équation bilan de la réaction :
Le pouvoir calorifique massique PC d'un combustible est l'énergie thermique libérée lors de la combustion d'1 kg de combustible.
On peut retrouver théoriquement l’énergie libérée
par une combustion où le combustible
est en phase gazeuse grâce aux données
des différentes énergie de liaison entre éléments.
En effet, dans une combustion comme dans toute transformation chimique, les éléments se réorganisent.
Pour cela, des liaisons entre atomes sont rompues
et des nouvelles sont formées.
Par convention, on compte positivement les transferts de l’environnement vers le système et négativement les transferts du système vers l’environnement.
Par conséquent,
- rompre des liaisons correspond à un transfert d'énergie positive (le système nécessite de l'énergie de l'extérieur)
- former des nouvelles liaisons correspond à un transfert d'énergie négative (le système libère de l'énergie qu'il fournit à son environnement).
L’énergie de réaction fait le bilan entre l’énergie entrante utilisée pour rompre les liaisons et l’énergie sortante libérée par la formation des nouvelles liaisons.
Si le bilan est négatif (cas des combustions),
la transformation est exothermique puisque
le transfert thermique final est vers l'extérieur.
L'énergie molaire de réaction est le ransfert thermique échangée entre le système et le milieu extérieur par mole d'avancement.
Reprenons l’exemple de la combustion du butane.
Pour une mole d’avancement, on consomme
- une mole de méthane
- deux moles de dioxygène
Et on produit
- une mole de dioxyde de carbone
- deux moles d'eau
Plus qu’à regarder les énergies de liaison :
| Liaisons | Énergie de liaison |
|---|---|
| C-H | 412 kJ·mol-1 |
| O-H | 464 kJ·mol-1 |
| O=O | 502 kJ·mol-1 |
| C=O | 795 kJ·mol-1 |
L'énergie de liaison est l'énergie minimale à fournir pour dissocier, à l’état gazeux, une mole de liaisons A-B.
Énergie de dissociation des réactifs :
- En consommant 1 mol de $\ce{CH4}$, on dissocie
4 liaisons C-H, soit $4\times 412 = \pu{1,65E3 kJ}$. - En consommant 2 mol de $\ce{O2}$, on dissocie
2 liaisons O=O, soit $4\times 464 = \pu{1,00E3 kJ}$.
Cela nécessite en tout $1,65 +1,00 = \pu{2,65 MJ}$.
Énergie de formation des produits :
- En produisant 1 mol de $\ce{CO2}$, on forme
2 liaisons C=O, soit $2\times (-795) = \pu{-1,59E3 kJ}$ - En produisant 2 mol de $\ce{H2O}$, on forme
4 liaisons O-H, soit $4\times (-464) = \pu{-1,86E3 kJ}$
Cela donne $-1,59 + (-1,86) = -\pu{3,45 MJ}$.
L’énergie molaire de la combustion vaut donc $2,65-3,45=\pu{-0,80 MJ*mol-1}$
La combustion d’une mole de méthane libère
$\pu{0,80 MJ}$ dans l’environnement.
Peut-on retrouver le PC du méthane à partir
de son énergie molaire de réaction ?
Bien sûr !
Masse d’une mole de méthane : $1\times M(\ce{CH4}) = M(\ce{C}) + 4\times M({H}) = \pu{16 g}$
Donc la combustion de $\pu{16 g}$ de méthane libère $\pu{0,80 MJ}$ et on cherche l’énergie libérée par la combustion d’un kilogramme de méthane…
$\displaystyle PC = \frac{\pu{1,0E3}}{16}\times 0,80 = \pu{50 MJ*kg-1}$
La combustion d’$\pu{1 kg}$ de méthane libère
donc $\pu{50 MJ}$ d’énergie thermique.
Comment détermine-t-on
le contenu énergétique des aliments ?
