Comprendre les avantages et inconvénients de la combustion

Combustion d’hydrocarbure

Un moteur thermique, essence ou Diesel, est le siège de réactions de combustion de carburant. Ce carburant, essence ou gazole est un mélange d’hydrocarbures, qui, lorsqu’ils brûlent, libèrent entre autres, de l’énergie thermique : la combustion d’un hydrocarbure libère de l’énergie. C’est le mode de production d’énergie le plus utilisé actuellement.

Il en est de même pour les chaudières à fioul ou à gaz : elles réalisent la conversion de l’énergie chimique, contenue dans un hydrocarbure, en énergie thermique, utilisée pour chauffer ou se chauffer.

Un moteur thermique (à essence ou diesel par exemple) convertit cette énergie thermique libérée par la combustion pour pouvoir la convertir en énergie mécanique.

Combustion complète et combustion incomplète

La réaction de combustion d’un hydrocarbure est une réaction chimique entre un hydrocarbure, tel que le méthane du gaz de ville, le butane retrouvé dans les briquets, ou l’octane présent dans l’essence et le dioxygène de l’air.

Lorsque l’apport en dioxygène est suffisant, la flamme présente une couleur bleue et la combustion est qualifiée de complète : les produits résultant sont le dioxyde de carbone $\rm CO_2$ et l’eau $\rm H_2O$, selon l’équation de réaction :

Cas du méthane :  $\rm CH_4+2 O_2 \rightarrow CO_2+2 H_2O$

Lorsque l’apport en dioxygène est insuffisant, la flamme présente une couleur jaune orangée et la combustion est qualifiée d’incomplète : les produits résultant sont le monoxyde de carbone CO, le carbone C et l’eau $\rm H_2O$, selon l’équation de réaction (cas du méthane) :

Apport en dioxygène insuffisant : $\rm CH_4+3 O_2 \rightarrow 2 CO+4 H_2O$

Apport en dioxygène encore plus limité : $\rm CH_4+O_2 \rightarrow C+2 H_2O$

Le monoxyde de carbone est un gaz incolore et inodore extrêmement dangereux. Il peut être mortel. C’est pourquoi il est préférable d’utiliser des détecteurs de monoxyde de carbone à côté des installations.

Calculer l’énergie libérée sous forme d’énergie thermique

Il est possible de connaître l’énergie libérée par la combustion de certains hydrocarbure grâce à :

• L’équation de combustion qui donne la quantité de matière de réactif
• L’énergie libérée par la combustion d’une mole de réactif

Voici quelques exemples (à ne pas connaître) :

Calculer la masse de $\rm CO_2$ produite par la combustion d’un hydrocarbure

Grâce à l’équation de combustion d’un hydrocarbure, il est possible de connaître la masse de $\rm CO_2$ produite, à condition de connaître :

• La masse d’hydrocarbure initiale
• La masse molaire moléculaire du dioxyde de carbone et de l’hydrocarbure.

Exemple de la combustion du méthane : nous brûlons 2 kg de méthane $(\rm M=16 ~g.mol^{-1})$.

$\rm CH_4+2 O_2 \rightarrow CO_2+2 H_2O$

1. Quantité de matière de méthane initiale

$\rm n_{CH_4} = \dfrac{m}{M} = \dfrac{2.10^{3}}{16} =125~ mol$

2. Quantité de matière de dioxyde de carbone produite 

Une mole de méthane consommée donne une mole de dioxyde de carbone produite donc :

$\rm n_{CO_2}=n_{CH_4}=125~ mol$

3. Masse de dioxyde de carbone produite $(\rm M=44 g.mol^{-1})$

$\rm m_{CO_2}=n \times M_{CO_2} $ $\rm =125 \times 44.10^{-3}=5,5 ~kg$