Les combustions

Les combustions sont des transformations chimiques qui surviennent quand trois éléments (combustible, comburant et source d'énergie) sont présents.
Le combustible est le réactif susceptible de brûler (carbone, méthane, papier, bois, etc.).

Le comburant est le réactif entretenant la combustion. Le plus souvent, le dioxygène (présent dans l'air) est le comburant.

La source d'énergie enclenche la combustion (la chaleur, une étincelle). Un combustible organique contient les éléments carbone et hydrogène.

Un alcane a pour formule brute $\rm C_nH_{2n+2}$ et un alcool non cyclique $\rm C_nH_{2n+2}O$.
Lors de la combustion complète d’un alcane ou d’un alcool, il se forme de l’eau et du dioxyde de carbone.
Une combustion peut être modélisée par une équation :
$\rm a C_{\mathcal w}H_{\mathcal y}O_{\mathcal z} + b O_2$ $\rightarrow$ $\rm c CO_2 + d H_2O$

$\color{blue}{\rm 1C_nH_{2n+2} + (3n + 1) O_2}$ $\color{blue}{\rightarrow}$ $\color{blue}{\rm 2n CO_2 + (2n + 2) H_2O}$

Exemple avec le propane : $\rm C_3H_8 + 5O_2$ $\rightarrow$ $\rm 3CO_2 + 4 H_2 O$

L’avancement d’une réaction, noté $x$, en mole, permet de décrire l’évolution des quantités de matière présentes dans un système au cours d’une transformation chimique.

Le tableau d’avancement permet de faire un bilan des quantités de matière pour chacun des réactifs et des produits à $3$ instants : 

1. L’instant initial où l’avancement est nul.
2. Un instant $t$ quelconque avec un avancement $x$ de la réaction
3. L’instant final avec un avancement $x_f$ de la réaction.

L’avancement maximal $x_{\rm max}$ est la plus petite valeur de l’avancement pour laquelle la quantité finale d’au moins l’un des réactifs est nulle. Ce réactif est appelé le réactif limitant.

Lors d’une réaction chimique totale, l’un au moins des réactifs est entièrement consommé : c’est le réactif limitant.
On peut donc écrire si $\rm A$ est le réactif limitant $\displaystyle \rm \frac{n_0(A)}{a} < \frac{n_0(B)}{b}$.

Si $x = x_{\rm max}$ alors la transformation est totale et si $x < x_{\rm max}$ alors la transformation est non totale.

Soit la réaction d’équation : $\rm a A + b B \rightarrow c C + d D$ avec $\rm a$, $\rm b$, $\rm c$, $\rm d$ coefficients stœchiométriques. Si les deux réactifs sont entièrement consommés, le mélange est stœchiométrique, les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques, donc on peut écrire $\rm \displaystyle \frac{n_0 (A)}{a} = \frac{n_0(B)}{b}$.

Dans le cas d’une transformation totale et pour un mélange stœchiométrique, les quantités initiales des réactifs sont nulles. À l’état final, on trouve des produits et des espèces spectatrices éventuellement.

Le pouvoir calorifique massique $\rm PC$ est l’énergie libérée par la combustion complète d’un kilogramme de combustible en $\rm J.kg^{-1}$. Lors de la combustion, le système chimique contenant le combustible libère de l’énergie $Q$ en joule $\rm J$. Les réactions de combustion sont des réactions exothermiques donc $Q < 0$.

Soit $Q = \rm -m \times PC$ avec $\rm m$ masse de combustible en $\rm kg$.