Les combustions

Le bilan chimique

A) Les produits de combustion

Lors de la combustion complète d’un alcane, d’un alcène ou d’un alcool, le carburant réagit avec du dioxygène pour former, comme seuls produits, du dioxyde de carbone et de l’eau. Cette réaction est exothermique. La flamme est alors bleue et peu éclairante.

Définition

Une réaction exothermique produit de la chaleur.

L’eau peut être mise en évidence avec du sulfate de cuivre anhydre blanc, qui va devenir bleu en sa présence. Le dioxyde de carbone, lui, est détecté avec une solution d’eau de chaux, que sa présence va troubler.

B) L’équation chimique de combustion

Lors de l’écriture d’une combustion complète, on écrit les réactifs à gauche de la flèche et les produits à droite.

On utilise ensuite la conservation des éléments carbone et hydrogène pour ajuster les nombres stœchiométriques devant les réactifs et les produits.

On écrit enfin la conservation de l’élément oxygène en ajustant le nombre stœchiométrique devant le dioxygène O₂.

Exemple

L’équation de la combustion complète du propane s’écrit :

C₃H₈ (g) + 5 O₂ (g) → 3 CO₂(g) + 4 H₂O (g).

Il est possible de déterminer les quantités de matière des réactifs et de trouver s’il y a un réactif limitant. On peut alors calculer les quantités de produits formés.

Rappel

Dans une réaction chimique, le réactif limitant est le réactif qui est totalement transformé, qui disparaît complètement. Il est dit « limitant » car il est responsable de l’arrêt de la réaction.

Le pouvoir calorifique d’un combustible

Le pouvoir calorifique massique d’un combustible, noté PC, est l’énergie dégagée par la combustion complète d’un kilogramme de combustible. Il s’exprime en joule par kilogramme (J.kg^–1).

On parle de pouvoir calorifique supérieur (PCS) si l’eau produite par la combustion est à l’état liquide. Dans le cas où l’eau formée est à l’état de vapeur, on parle de pouvoir calorifique inférieur (PCI).

La différence entre le PCS et le PCI est mise en évidence dans les chaudières à condensation par rapport aux chaudières classiques.

Exemple

Dans une chaudière classique, lors de la combustion du méthane, l’eau produite est à l’état gazeux et directement évacuée vers l’extérieur par un conduit. On ne récupère qu’une partie de l’énergie puisqu’on a laissé partir de l’eau à l’état gazeux qui emporte avec elle de l’énergie. On utilise alors le pouvoir calorifique inférieur du méthane : PCI = 50 MJ.kg^–1.

Dans une chaudière à condensation, l’eau à l’état gazeux change d’état pour devenir liquide dans le condenseur, ce qui permet de récupérer l’énergie de changement d’état de l’eau de l’état gazeux à l’état liquide. L’eau est ensuite évacuée par une canalisation. On utilise alors le pouvoir calorifique supérieur : PCS = 56 MJ.kg^–1.

Le rendement est donc meilleur avec une chaudière à condensation, ce qui permet de limiter la consommation de méthane, de diminuer la facture de chauffage et surtout de moins polluer.

L’énergie thermique libérée E_lib par une réaction de combustion mettant en jeu une masse m de combustible est calculée à partir du pouvoir calorifique massique du combustible mis en jeu. La valeur de E_lib est négative, alors que le PC est toujours positif par convention.

La valeur du pouvoir calorifique massique d’un combustible peut être approchée en faisant brûler une masse m_comb de combustible sous un récipient contenant une masse précise m d’eau et en notant la valeur de l’élévation de température ΔT. L’énergie thermique reçue par l’eau Q = m c_eau ΔT est sensiblement égale à l’énergie produite par la combustion (en fait, expérimentalement il y a de nombreuses pertes thermiques).