Combustion du carbone et des hydrocarbures | 1ère Bac Pro ERA-MA | Physique-Chimie
Capacités et connaissances du programme :
C1 — Écrire et équilibrer une équation de combustion complète
C2 — Calculer la masse de \(\text{CO}_2\) produite
C3 — Distinguer combustion complète et incomplète
C4 — Calculer l'énergie dégagée \(Q = m \times \text{PCI}\)
C5 — Identifier les risques liés à la combustion (CO, CO₂, explosion)
C1 — Écrire et équilibrer une équation de combustion complète
Rappel de cours
La combustion complète d'un corps en présence d'excès de dioxygène produit uniquement du dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)) et de l'eau (\(\text{H}_2\text{O}\)).
Pour équilibrer : on compte les atomes de chaque côté et on ajuste les coefficients stœchiométriques.
Combustion du carbone : \(\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\)
Combustion du méthane : \(\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\)
Exercice 1
Écrire et équilibrer l'équation de combustion complète du carbone (\(\text{C}\)).
\(\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\)
Vérification : 1 C à gauche, 1 C à droite ✓ ; 2 O à gauche, 2 O à droite ✓
Exercice 2
Écrire et équilibrer l'équation de combustion complète du propane (\(\text{C}_3\text{H}_8\)), combustible utilisé dans les chalumeaux de chantier.
Écrire et équilibrer l'équation de combustion complète du butane (\(\text{C}_4\text{H}_{10}\)), utilisé dans les brûleurs de chantier pour chauffer la colle.
C2 — Calculer la masse de \(\text{CO}_2\) produite
Rappel de cours
À partir de l'équation équilibrée, on utilise les proportions stœchiométriques et les masses molaires pour calculer la masse de \(\text{CO}_2\) produite. Masses molaires : \(M_{\text{C}} = 12\) g/mol ; \(M_{\text{O}} = 16\) g/mol ; \(M_{\text{CO}_2} = 44\) g/mol ; \(M_{\text{CH}_4} = 16\) g/mol ; \(M_{\text{C}_3\text{H}_8} = 44\) g/mol ; \(M_{\text{C}_4\text{H}_{10}} = 58\) g/mol.
Exercice 5
La combustion complète de 12 g de carbone. Calculer la masse de \(\text{CO}_2\) produite.
Équation : \(\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\)
1 mol de C (12 g) produit 1 mol de CO₂ (44 g).
12 g de C = 1 mol → produit 44 g de CO₂.
Exercice 6
Un artisan menuisier brûle 440 g de propane (\(\text{C}_3\text{H}_8\)) dans son chalumeau.
Équation : \(\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \rightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\)
Calculer la masse de \(\text{CO}_2\) dégagée. (\(M_{\text{C}_3\text{H}_8} = 44\) g/mol)
Quantité de propane : \(n = \dfrac{440}{44} = 10\) mol
1 mol de C₃H₈ produit 3 mol de CO₂ → 10 mol produisent 30 mol de CO₂.
Masse de CO₂ : \(m = 30 \times 44 = \mathbf{1\,320}\) g = 1,32 kg
Exercice 7
Un brûleur de chantier consomme 116 g de butane (\(\text{C}_4\text{H}_{10}\)).
Équation : \(2\,\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\,\text{O}_2 \rightarrow 8\,\text{CO}_2 + 10\,\text{H}_2\text{O}\)
Calculer la masse de \(\text{CO}_2\) produite. (\(M_{\text{C}_4\text{H}_{10}} = 58\) g/mol)
Quantité de butane : \(n = \dfrac{116}{58} = 2\) mol
D'après l'équation : 2 mol de C₄H₁₀ → 8 mol de CO₂
Masse de CO₂ : \(m = 8 \times 44 = \mathbf{352}\) g
C3 — Distinguer combustion complète et incomplète
Rappel de cours
Combustion complète : en excès de dioxygène → produits : \(\text{CO}_2\) + \(\text{H}_2\text{O}\) uniquement. Flamme bleue. Combustion incomplète : en défaut de dioxygène → produits : \(\text{CO}\) (monoxyde de carbone, toxique), suie (carbone), \(\text{H}_2\text{O}\). Flamme jaune/orange, dépôt de suie.
Le CO est un gaz incolore, inodore, très toxique : il est mortel à faible concentration.
Exercice 8
Un menuisier utilise un brûleur à gaz dans un local mal ventilé. La flamme est jaune et il observe un dépôt noir sur les pièces de bois.
S'agit-il d'une combustion complète ou incomplète ? Justifier.
Quels produits dangereux sont formés ?
Que doit-il faire pour améliorer la combustion ?
Combustion incomplète : flamme jaune + dépôt noir (suie) indiquent un manque de dioxygène.
Formation de monoxyde de carbone (CO), très toxique, et de suie (carbone non brûlé).
Il doit ventiler le local (ouvrir portes et fenêtres) et/ou régler l'arrivée d'air du brûleur pour augmenter l'apport en dioxygène.
Exercice 9
Écrire l'équation de combustion incomplète du méthane (\(\text{CH}_4\)) produisant du monoxyde de carbone.
\(2\,\text{CH}_4 + 3\,\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{CO} + 4\,\text{H}_2\text{O}\)
(On peut aussi avoir formation de suie : \(\text{CH}_4 + \text{O}_2 \rightarrow \text{C} + 2\,\text{H}_2\text{O}\) selon le degré de manque d'air.)
Exercice 10
Compléter le tableau comparatif :
Critère
Combustion complète
Combustion incomplète
Couleur de flamme
…
…
Produits formés
…
…
Danger principal
…
…
Condition
…
…
Critère
Combustion complète
Combustion incomplète
Couleur de flamme
Bleue
Jaune/orange
Produits formés
CO₂ + H₂O
CO + suie + H₂O
Danger principal
Asphyxie (CO₂ en excès)
Intoxication au CO (mortel)
Condition
Excès de O₂
Défaut de O₂
C4 — Calculer l'énergie dégagée \(Q = m \times \text{PCI}\)
Rappel de cours
Le Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) est l'énergie dégagée par la combustion complète d'1 kg de combustible (eau produite non condensée). Formule : \(Q = m \times \text{PCI}\) où \(Q\) est en joules (J) ou kWh, \(m\) en kg et PCI en J/kg ou kWh/kg.
Un menuisier brûle 5 kg de bois sec (PCI = 15 MJ/kg) dans un poêle d'atelier. Calculer l'énergie dégagée. Comparer à 1 kg de butane (PCI = 45,8 MJ/kg).
Bois : \(Q_{\text{bois}} = 5 \times 15 = 75\) MJ
Butane : \(Q_{\text{butane}} = 1 \times 45{,}8 = 45{,}8\) MJ
5 kg de bois dégagent plus d'énergie (75 MJ) que 1 kg de butane (45,8 MJ), mais le butane est bien plus énergétique à masse égale.
Exercice 13
On veut obtenir \(Q = 200\) kWh avec du propane (PCI = 12,8 kWh/kg). Calculer la masse de propane à brûler.
\(m = \dfrac{Q}{\text{PCI}} = \dfrac{200}{12{,}8} \approx \mathbf{15{,}6}\) kg de propane
C5 — Identifier les risques liés à la combustion
Rappel de cours
Les principaux risques en atelier lors de l'utilisation de combustibles :
Monoxyde de carbone (CO) : gaz incolore, inodore, mortel. Produit par combustion incomplète. Détecteur de CO obligatoire dans les locaux.
Dioxyde de carbone (CO₂) : gaz non toxique mais asphyxiant en forte concentration.
Explosion : mélange gazeux (propane, butane) + air peut exploser si concentration dans les limites d'explosivité (LIE–LSE). Interdire toute flamme nue, éviter les étincelles.
Incendie : les solvants de vernis et les copeaux de bois sont inflammables.
Exercice 14
Dans un atelier de menuiserie, un employé se plaint de maux de tête et de nausées. Le brûleur à gaz fonctionne depuis plusieurs heures dans un local fermé.
Quel gaz est probablement en cause ?
Pourquoi ce gaz est-il particulièrement dangereux ?
Quelles mesures d'urgence prendre ?
Le monoxyde de carbone (CO), produit par combustion incomplète en local mal ventilé.
Le CO est incolore et inodore (indétectable sans capteur). Il se fixe à l'hémoglobine à la place de l'oxygène : intoxication rapide, potentiellement mortelle.
Évacuer immédiatement tous les occupants du local, appeler le 15 (SAMU) ou le 18 (pompiers), aérer le local, ne pas réintégrer avant la fin de l'aération et le contrôle par les secours.
Exercice 15
Un menuisier stocke des bouteilles de butane dans son atelier. Identifier les risques et les précautions à prendre.
Risques :
Fuite de gaz → mélange air/gaz explosif (le butane est plus lourd que l'air, il s'accumule au sol).
Explosion en cas de flamme nue, étincelle ou échauffement de la bouteille.
Précautions :
Stocker les bouteilles à l'extérieur ou dans un local ventilé en bas.
Ne pas exposer à la chaleur ni aux flammes.
Fermer les vannes après utilisation.
Installer un détecteur de gaz.
Exercice 16
Classer les risques suivants selon leur niveau de danger (très élevé / élevé / moyen) et indiquer la source :
A — Fuite de propane + étincelle d'une machine.
B — Brûleur en fonctionnement dans un local bien ventilé.
C — Brûleur en fonctionnement dans une pièce fermée 2 h.
D — Stockage de bouteilles de gaz au soleil en été.
A — Très élevé : risque d'explosion immédiate.
B — Moyen : combustion correcte, peu de risque si ventilation suffisante.
C — Très élevé : accumulation de CO, risque d'intoxication mortelle.
D — Élevé : échauffement de la bouteille → augmentation de pression → risque d'explosion (BLEVE).