THERMIQUE 1ère

Comprendre les avantages et les inconvénients de la combustion du carbone et des hydrocarbures

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Thermique : comment utiliser et contrôler les transferts thermique ?

Capacités 
Connaissances 
Réaliser expérimentalement une réaction de combustion de charbon ou d’un hydrocarbure et identifier les produits de la combustion.

Calculer l’énergie libérée sous forme d’énergie thermique par la combustion d’une masse donnée d’hydrocarbure à partir de données fournies.

Écrire et ajuster l’équation de la réaction modélisant la combustion d’un hydrocarbure.

Déterminer la masse de dioxyde de carbone (CO2) dégagée par la combustion complète d’une masse donnée d’un hydrocarbure, à partir de données fournies.  
Connaître les produits de la combustion complète ou incomplète d’un hydrocarbure dans l’air.

Connaître la dangerosité des composés produits lors d’une combustion incomplète.

- Savoir que la combustion d’un hydrocarbure ou du charbon libère de l’énergie thermique.
- Savoir que l’énergie utilisée aujourd’hui est très majoritairement obtenue à l’aide de combustions de ce type.
- Savoir que le dioxyde de carbone est un des principaux gaz à effet de serre et que l’augmentation de sa concentration dans l’atmosphère accentue le réchauffement climatique.
- Savoir que les moteurs thermiques convertissent l’énergie libérée par la combustion en énergie mécanique.

Je me positionne en choisissant la (ou les) bonne(s) réponse(s

1/. L'unité de température est :
a - degré Celsius
b - Kelvin
c - degré Fahrenheit
2/. La température se relève à l'aide  :
a - d'un baromètre
b - d'un thermomètre
c - d'un joulemètre
3/. 20°C est équivalent à :
a - 293,15 K
b - 253,15 K
c - -20 K
4/. 30K est équivalent à :
a - -243,15°C
b - 303,15°C
c - 30°C
5/. L'eau salée gèle à une température :
a - négative
b - égale à 0
c - positive
6/. De l'énergie peut être transportée par :
a - la température
b - la chaleur
c - le thermomètre
7/. L'échelle de température utilisée dans les calculs scientifiques est l'échelle :
a - Celsius
b - Fahrenheit
c - Kelvin
8/. Lors d'un changement d'état la température d'un corps pur :
a - augmente
b - ne varie pas 
c - diminue

I - Etude de l'impact d'une combustion sur l'environnement

Démarche d'investigation

Problématique : L'utilisation du charbon de bois des barbecues classiques a-t-il un impact néfaste sur l'environnement ?

II - Etude de la combustion des hydrocarbures

        a ) un hydrocarbure

Définition : Un hydrocarbure est un ........................................ composé d'atomes de ........................ et d'................................., récupéré sous forme ...................... (dans le gaz naturel), ........................ (dans le pétrole) ou ........................ (dans le charbon).

        b ) Réaliser la combustion de charbon ou d'un hydrocarbure et identifier les produits

 
 

Combustion complète du méthane

quels sont les produits formés lors de la combustion ?

.....................................

........................................


Combustion incomplète du butane

quels sont les produits formés lors de la combustion ?

....................................

........................................

........................................

........................................

Résumé

On a pu remarquer qu'il existe 2 types de combustions :

    - la combustion complète (flamme bleue) quand le dioxygène est en quantité suffisante, les réactifs étant un hydrocarbure et du dioxygène.

        il se forme alors, du dioxyde de carbone et de l'eau

une équation de combustion complète est toujours de la forme :

            Hydrocarbure + Dioxygène --> Dioxyde de carbone + eau 


    - la combustion incomplète (flamme jaune) quand le dioxygène est en quantité insuffisante

        il se forme alors, du carbone, du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone et de l'eau

une équation de combustion incomplète est toujours de la forme :

            Hydrocarbure + Dioxygène --> Carbone + (Monoxyde de carbone et Dioxyde de carbone en quantité variable) + eau 


Le monoxyde de carbone CO est un composé très dangereux car totalement inodore et incolore.

Les fumées noires de Carbone sont nocives en cas d'inhalation.


    c) Ecrire et équilibrer l'équation d'une réaction de combustion

Les lignes rouges précédentes sont appelées …………………………………………. Par convention, on symbolise une réaction chimique par une ………………. On appelle « ………………………… » les composés qui interviennent dans la réaction (dans le cas ci-dessus les ………………………… sont l'hydrocarbure et le dioxygène) et on appelle « ………………………… » les composés formés après la réaction. 

Une réaction chimique est un processus avec réarrangement des atomes constitutifs des …………………… pour donner de nouveaux corps appelés ……………………. Tous les atomes constitutifs des réactifs se retrouvent dans au moins un des produits, et dans les mêmes quantités. On dit qu’au cours d’une réaction chimique il y a conservation de ……………………. 

 
 

Lors d'une réaction de combustion, il est nécessaire de placer des coefficients stoechiométriques devant certains réactifs ou produits pour que le principe de conservation de la matière s'applique

On équilibre comme suit :

-  les atomes de carbone 
relever le nombre d'atomes de carbone dans les réactifs 
déterminer le nombre a positionner devant la formule contenant du carbone dans les produits
- les atomes d'hydrogène
relever le nombre d'atomes d'hydrogène dans les réactifs 
déterminer le nombre a positionner devant la formule contenant de l'hydrogène dans les produits
calculer le nombre d'atomes d'oxygène dans les produits
déterminer le nombre à positionner devant la formule du dioxygène des réactifs afin d'obtenir le même nombre

Conservation de la quantité de matière, des charges et des éléments :

Au cours d'une réaction chimique il y a conservation de la quantité de matière, des charges et des éléments :

    1) Conservation de la quantité de matière :

Dans l'écriture d'une équation bilan d'une réaction chimique, les formules chimiques des réactifs et des produits représentent :

     - à l'échelle atomique : les molécules ou les atomes en présence.

     - à l'échelle humaine : les moles de molécules ou d'atomes des corps en réaction.

Après avoir équilibré la réaction suivante, compléter le tableau. 

Odoo CMS - une grande photo

    2) Conservation des charges :

Exercice : Certaines réactions suivantes donnent lieu à la présence d’ions.

Il convient donc d’équilibrer les charges de la même manière que l’on équilibrerait les atomes. 

Odoo CMS - une grande photo

 Soit la réaction dont l’équation bilan s’écrit :

                        C + 2 PbO ----> 2 Pb + CO2 .

Compléter les phrases :

Si 1 mole de C réagit avec …… moles de PbO, il se forme …… moles de Pb et …… mole de CO2.

Si ………… mole de C réagit avec 0,5 moles de PbO, il se forme ………… moles de Pb et ………… moles de CO2.

Si ………… moles de C réagissent avec ………… moles de PbO, il se forme 4 moles de Pb et ………… moles de CO2. 


Energie Thermique de combustion :

Combustion d’un hydrocarbure : quels aspects énergétiques ?

Les hydrocarbures sont une source d'énergie importante obtenue par leur combustion (chauffage au fioul, à gaz, moteur thermique, etc...), par exemple, la combustion d'1 Kg de propane a un pouvoir calorifique de 46,6mégajoules, libère 46,6 mégajoules d'énergie

        exemple : Ecrire l'équation de la combustion du propane (voir activité 3 page 17)

                .......................... + .........................    ----->     ......................... + .....................

    1) Calcul de l’énergie fournie lors d’une réaction de combustion :

La combustion est donc une réaction chimique au cours de laquelle les réactifs disparaissent pour laisser apparaître de nouveaux corps, les produits de la réaction. Certaines réactions chimiques sont ……………………………………, c’est à dire qu’elles produisent de la chaleur. (Dans une réaction chimique ……………………………………, l'énergie dégagée par la formation de liaisons dans les produits est supérieure à l'énergie requise pour briser les liaisons dans les réactifs. Le contraire d’une réaction …………………………………… est une réaction ……………………………………, la température baisse au cours d’une telle réaction.)

Il est possible de calculer la quantité d’énergie fournie lors d’une réaction chimique exothermique. Le tableau suivant indique la quantité d’énergie correspondant à la destruction ou à la fabrication de certaines liaisons. 

Odoo CMS - une grande photo

2) Energie Thermique de combustion :

La combustion du carbone ou des hydrocarbures libère une énergie Thermique E (en joule) qui est ………………………………… à la masse m de carbone ou d’hydrocarbure (en kilogramme).

Le coefficient de proportionnalité est appelé ………………………………………………………… (ou chaleur de combustion) (en J/kg). Il dépend de l’hydrocarbure comme l’indique le tableau ci-dessous. 

Odoo image et bloc de texte


L’énergie thermique pour une masse m de combustible se calcule :

E = m x PC

E en J, m en kg et PC en J/kg 

3) Calcul de la quantité de CO2 émis lors d’une réaction de combustion :

Le dioxyde de carbone émis lors des réactions de combustion est l’un des principaux gaz à effet de serre. Ces gaz bloquent et réfléchissent le rayonnement thermique infrarouge.

Application :

Une voiture dont la consommation d’essence est de 7 L pour 100 km libère du CO2 dans l’atmosphère. On veut déterminer la masse de CO2 produite par km afin de déduire la classe énergétique de la voiture.

On suppose que l’essence utilisée est de l’octane. La masse volumique de l’essence est essence = 750 g/L.

On sait que M(H) = 1 g/mol, M(C) = 12 g/mol et M(O) = 16 g/mol.

Le tableau de classification énergétique est le suivant : 

a) Déterminer la quantité de matière de combustible consommée par km.

Pour cela on calcule : Le volume d’essence pour 1 km sera de ………………………………………………………… L.

La masse d’essence correspondante sera de ………………………………………………………………g.

La masse molaire moléculaire de l’octane sera M(C8H18) = ……………………………………………….................................................. ............................................... g/mol.

La quantité de matière sera alors :

Mol de C8H18 
1
Masse de C8H18 (en g)


 b) Ecrire l’équation équilibrée de la combustion de l’octane dans le dioxygène.

C8H18 + ………………O2   ------>    …………CO2 + …………H2O

c) Compléter l’égalité de formation du CO2.

1 mole d’octane produit …….... moles de CO2 donc …………mol d’octane produit ………………………… moles de dioxyde de carbone.

d) Calculer la masse de CO2 produite pour 1 km

La masse molaire moléculaire du dioxyde de carbone sera M(CO2) = ……………………………………… ………………………… ………………………………………………g/mol.


Mol de CO2 
1
Masse de CO2 (en g)


e) Indiquer la classe énergétique de la voiture. La classe énergétique de la voiture est ……. 

Odoo image et bloc de texte


 

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