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Réactions de combustion

La réaction de combustion

Définition

La réaction de combustion est une réaction d’oxydo-réduction au cours de laquelle :

  • Un combustible (ce qui brûle) s’oxyde

  • Un comburant, généralement le dioxygène, se réduit.

Pour activer une combustion, une énergie doit être apportée.

Le triangle du feu = 3 conditions à réunir pour générer une réaction de combustion : un combustible, un comburant, une énergie d'activation

Le triangle du feu = 3 conditions à réunir pour générer une réaction de combustion : un combustible, un comburant, une énergie d'activation

Définition

La combustion d’un combustible ne contenant que les éléments carbone CC, hydrogène HH et éventuellement oxygène OO, est dite
complète si les produits de combustion sont uniquement le dioxyde de carbone CO2CO_2 et l’eau H2OH_2O.

Propriété

Comme toute réaction chimique, une combustion peut être modélisée par une équation de réaction.

Exemple

C4H10(g)+6,5O2(g)→4CO2(g)+5H2O(g)C_4H_{10}(g) + 6,5 O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 5 H_2O(g)
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Différents combustibles sont actuellement utilisés pour diverses utilisations (chauffage, transport, énergie) :

  • Les combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz, ...) non renouvelables à l’échelle humaine

  • Les agrocombustibles (éthanol, éther méthylique de colza, bois, etc.) produits à partir de la biomasse et renouvelables à l’échelle humaine.

Conservation de l’énergie

Énergie transférée lors d’une combustion

Définition

Lors de la combustion, le système chimique libère de l’énergie sous forme de chaleur, notée QQ.

Les réactions de combustion étant des réactions exothermiques, elles dégagent de la chaleur et donc Q<0Q<0.

Propriété

L’énergie transférée lors de la combustion dépend de deux paramètres :

  • La nature du combustible

  • La quantité de combustible

Propriété

L'expression de QQ peut prendre différentes formes :

  • Q=n∗EcombQ = n*E_{comb} avec nn la quantité de matière et EcombE_{comb} l’énergie molaire de combustion en J.mol−1J.mol^{-1}.
    Ecomb<0E_{comb}<0 (ainsi le système libère de l’énergie)

  • Q=−m∗PCQ=-m*PC avec mm la masse de combustible et PCPC le pouvoir calorifique en J.kg−1J.kg^{-1}
    PC>0PC>0 (car il est défini en fonction du système chauffé)

Propriété

Il est possible de relier pouvoir calorifique et énergie molaire de combustion en utilisant la relation liant quantité de matière, masse et masse molaire. Ainsi :

Ecomb=−PC∗ME_{comb} = -PC*M

Énergie molaire de combustion

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Pour calculer l’énergie molaire de combustion, on part de l’équation de combustion avec un coefficient de 1 pour le combustible.

Lors d’une réaction de combustion, des liaisons sont rompues (les réactifs) et d’autres sont formées (les produits).

Il suffit donc de connaitre l’énergie de liaison des différentes liaisons des molécules et de faire la différence d’énergie entre celles rompues et celles formées.

Définition

Ecomb=(somme des eˊnergies de liaisons rompues)–(somme des eˊnergies de liaisons formeˊes)E_{comb} = (\text{somme des énergies de liaisons rompues}) – (\text{somme des énergies de liaisons formées})
Tableau récapitulatif des énergies de liaison en fonction du type de liaison

Exemple

Combustion du butane C4H10C_4H_{10} :

C4H10(g)+6,5O2(g)→4CO2(g)+5H2O(g)C_4H_{10}(g) + 6,5 O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 5 H_2O(g)
Ecomb=(3∗E(C—C)+10∗E(C—H)+6,5∗E(O=O))–(8∗E(C=O)+10∗E(O—H))E_{comb} = (3*E(C—C ) + 10*E(C—H) + 6,5*E(O=O)) – (8*E(C=O) + 10*E(O—H))
Ecomb=(3∗348+10∗413+6,5∗496)–(8∗796+10∗463)E_{comb}= (3*348 + 10*413 + 6,5*496) – (8*796 + 10*463)
Ecomb=−2600kJ.mol−1 E_{comb}= -2600 kJ.mol^{-1}

Les réactions de combustions sont exothermiques donc Ecomb<0E_{comb} < 0.

Les enjeux des réactions de combustion

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Les réactions de combustion sont énormément exploitées dans le secteur du transport et du chauffage.

Malheureusement, les réactions de combustion émettent des gaz polluants à effet de serre tels que le dioxyde de carbone et l’eau.

De plus, lors d’une combustion incomplète (pas assez de dioxygène), du monoxyde de carbone CO est libéré, c’est un gaz toxique.

Deux enjeux pour l’avenir sont à noter :

  • La mise au point d’alternatives énergétiques moins polluantes et plus pérennes

  • L’élaboration de systèmes de combustion plus efficaces

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