← RETOUR SOMMAIRE ERA-MA (Grpt 3)

Ch03 – Combustion du carbone et des hydrocarbures

Exercices | Première Bac Pro ERA-MA – Groupement 3

Rappels

Exercices guidés pas à pas

Exercice 1 Identifier les types de combustion (guidé) Socle
Pour chaque situation, indiquer s'il s'agit d'une combustion complète ou incomplète. Justifier.

SituationTypeJustification
Flamme bleue sur un brûleur à gaz……
Flamme jaune avec dépôt de suie……
Chauffage dans un local bien ventilé……
Cheminée qui fume noir……
Correction :
SituationTypeJustification
Flamme bleueComplèteFlamme bleue = assez d'O2
Flamme jaune + suieIncomplèteSuie = carbone non brûlé
Local bien ventiléComplèteVentilation = apport suffisant d'O2
Cheminée qui fume noirIncomplèteFumée noire = particules de carbone
Exercice 2 Ajuster une équation (guidé) Socle
Ajuster l'équation de combustion complète du propane C3H8.

C3H8 + … O2 → … CO2 + … H2O

Étape 1 (C) : Il y a … atomes de C à gauche → il faut … CO2 à droite.

Étape 2 (H) : Il y a … atomes de H à gauche → il faut … H2O à droite.

Étape 3 (O) : À droite : … O dans CO2 + … O dans H2O = … O au total → il faut … O2 à gauche.
Correction :
Étape 1 : 3 C → 3 CO2
Étape 2 : 8 H → 4 H2O
Étape 3 : 3×2 + 4×1 = 10 O → 5 O2
\[\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\]
Exercice 3 Énergie du bois (guidé) Socle
Un menuisier brûle 6 kg de chutes de bois dans le poêle de l'atelier. Le pouvoir calorifique du bois sec est PC = 15 000 kJ/kg.

Étape 1 : Écrire la formule de l'énergie.
\(E = \ldots \times \ldots\)

Étape 2 : Remplacer et calculer.
\(E = \ldots \times \ldots = \ldots\) kJ

Étape 3 : Convertir en kWh (diviser par 3 600).
\(E = \ldots\) kWh
Correction :
Étape 1 : \(E = m \times \text{PC}\)
Étape 2 : \(E = 6 \times 15\,000 = 90\,000\) kJ = 90 MJ
Étape 3 : \(E = 90\,000 / 3\,600 = 25\) kWh
Exercice 4 Sécurité (guidé) Socle
Relier chaque danger à la bonne précaution :

DangerPrécaution
1. Production de COa. Éteindre le chauffage à flamme
2. Solvants inflammablesb. Installer un détecteur de CO
3. Manque d'O2c. Ventiler le local
Correction : 1-b, 2-a, 3-c
(La production de CO se détecte par un détecteur ; les solvants inflammables imposent d'éteindre toute flamme ; le manque d'O2 se prévient par la ventilation.)

Exercices d'application

Exercice 5 Équations de combustion Standard
Ajuster les équations de combustion complète suivantes :
  1. Méthane : CH4 + … O2 → … CO2 + … H2O
  2. Butane : C4H10 + … O2 → … CO2 + … H2O
  3. Éthane : C2H6 + … O2 → … CO2 + … H2O
Correction :
1. \(\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \to \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\)
2. \(2\,\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\,\text{O}_2 \to 8\,\text{CO}_2 + 10\,\text{H}_2\text{O}\)
3. \(2\,\text{C}_2\text{H}_6 + 7\,\text{O}_2 \to 4\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}\)
Exercice 6 Chauffage d'un atelier au propane Standard
Un menuisier agenceur utilise un chauffage au propane pour son atelier. Il consomme une bouteille de 13 kg par semaine en hiver.
Données : PC propane = 46 300 kJ/kg. 1 kg de propane produit 3,0 kg de CO2.
  1. Écrire l'équation de combustion complète du propane.
  2. Calculer l'énergie libérée par une bouteille (en kJ puis en kWh).
  3. Calculer la masse de CO2 émise par bouteille.
  4. L'hiver dure 20 semaines. Calculer la masse totale de CO2 émise pendant un hiver.
  5. Proposer une alternative moins polluante pour le chauffage de l'atelier.
Correction :
1. \(\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \to 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\)

2. \(E = 13 \times 46\,300 = 601\,900\) kJ ≈ 602 MJ
En kWh : \(601\,900 / 3\,600 = 167{,}2\) kWh

3. \(m = 13 \times 3{,}0 = 39\) kg de CO2

4. \(39 \times 20 = 780\) kg = 0,78 tonne de CO2 par hiver

5. Alternatives : pompe à chaleur, chauffage électrique avec électricité renouvelable, poêle à granulés de bois (neutre en carbone si bois issu de forêts gérées durablement).
Exercice 7 Standard
L'équation de combustion du méthane est : CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O.
Masses molaires : C = 12 g/mol, H = 1 g/mol, O = 16 g/mol.
  1. Calculer la masse molaire du méthane CH4.
  2. Calculer la masse molaire du CO2.
  3. D'après l'équation, combien de moles de CO2 sont produites par mole de CH4 ?
  4. Calculer la masse de CO2 produite par la combustion de 1 kg de méthane.
Correction :
1. \(M(\text{CH}_4) = 12 + 4 \times 1 = 16\) g/mol

2. \(M(\text{CO}_2) = 12 + 2 \times 16 = 44\) g/mol

3. 1 mol de CH4 → 1 mol de CO2 (rapport 1:1)

4. 16 g de CH4 → 44 g de CO2
1 000 g de CH4 → \(\dfrac{1\,000 \times 44}{16} = 2\,750\) g = 2,75 kg de CO2
Exercice 8 Sécurité en atelier Standard
Un poseur de cuisines travaille dans un appartement en cours de rénovation. Il utilise un chauffage d'appoint au butane dans la pièce fermée. Après 2 heures, il a des maux de tête et des vertiges.
  1. Quel gaz peut être responsable de ces symptômes ?
  2. Expliquer pourquoi ce gaz s'est formé.
  3. Que doit-il faire immédiatement ?
  4. Comment prévenir ce risque à l'avenir ?
Correction :
1. Le monoxyde de carbone (CO).

2. La pièce étant fermée, le dioxygène de l'air a été progressivement consommé par la combustion. Le manque d'O2 a entraîné une combustion incomplète du butane, produisant du CO.

3. Il doit immédiatement : ouvrir les fenêtres, éteindre le chauffage, sortir de la pièce, appeler les secours (15 ou 112).

4. Prévention : ventiler le local en permanence, ne jamais utiliser de chauffage à flamme dans un espace confiné, utiliser un chauffage électrique, installer un détecteur de CO.

Exercices d'approfondissement

Exercice 9 Bilan carbone d'un atelier Approfondissement
Un artisan menuisier souhaite calculer le bilan carbone annuel de son atelier. Ses sources d'énergie sont :
SourceConsommation annuelleÉmission CO2
Propane (chauffage)260 kg3,0 kg CO2/kg
Électricité8 500 kWh0,057 kg CO2/kWh (France)
Déplacements (diesel)3 000 L2,64 kg CO2/L
  1. Calculer les émissions de CO2 de chaque source.
  2. Calculer le total annuel en tonnes de CO2.
  3. Quel poste est le plus émetteur ? Proposer des solutions pour le réduire.
  4. Si le chauffage propane est remplacé par un poêle à granulés (bilan carbone « neutre »), quel serait le nouveau bilan total ?
  5. En France, l'objectif est de 2 tonnes de CO2/personne/an. Cet atelier emploie 3 personnes. L'activité respecte-t-elle cet objectif ?
Correction :
1. Propane : \(260 \times 3{,}0 = 780\) kg CO2
Électricité : \(8\,500 \times 0{,}057 = 484{,}5\) kg CO2
Déplacements : \(3\,000 \times 2{,}64 = 7\,920\) kg CO2

2. Total : \(780 + 484{,}5 + 7\,920 = 9\,184{,}5\) kg ≈ 9,2 tonnes CO2/an

3. Les déplacements (86 % du total). Solutions : optimiser les tournées, passer au véhicule électrique, grouper les livraisons, choisir des fournisseurs locaux.

4. Sans propane : \(484{,}5 + 7\,920 = 8\,404{,}5\) kg ≈ 8,4 tonnes (économie de 780 kg).

5. Objectif : \(2 \times 3 = 6\) tonnes. Bilan actuel : 9,2 tonnes → non respecté. Même avec le poêle à granulés (8,4 t), l'objectif n'est pas atteint. Il faut agir principalement sur les déplacements.
Exercice 10 Comparaison énergétique de combustibles Approfondissement
Un fabricant de mobilier compare trois solutions de chauffage pour son atelier de 200 m². Le besoin thermique est de 40 000 kWh par hiver.
SolutionPC (kJ/kg)RendementPrix (€/kg)CO2 (kg/kg)
Propane46 30090 %2,503,00
Fioul42 00085 %1,203,15
Granulés bois17 00092 %0,350 (neutre)
  1. Calculer l'énergie utile produite par 1 kg de chaque combustible (en kWh), en tenant compte du rendement.
  2. Calculer la masse de combustible nécessaire pour couvrir les 40 000 kWh.
  3. Calculer le coût total de chaque solution pour un hiver.
  4. Calculer les émissions de CO2 pour chaque solution.
  5. Classer les solutions par coût croissant et par émissions croissantes. Quelle solution recommander ?
Correction :
1. Énergie utile par kg :
Propane : \(46\,300 \times 0{,}90 / 3\,600 = 11{,}58\) kWh/kg
Fioul : \(42\,000 \times 0{,}85 / 3\,600 = 9{,}92\) kWh/kg
Granulés : \(17\,000 \times 0{,}92 / 3\,600 = 4{,}34\) kWh/kg

2. Masse nécessaire :
Propane : \(40\,000 / 11{,}58 = 3\,454\) kg
Fioul : \(40\,000 / 9{,}92 = 4\,032\) kg
Granulés : \(40\,000 / 4{,}34 = 9\,217\) kg

3. Coût :
Propane : \(3\,454 \times 2{,}50 = 8\,635\) €
Fioul : \(4\,032 \times 1{,}20 = 4\,838\) €
Granulés : \(9\,217 \times 0{,}35 = 3\,226\) €

4. CO2 :
Propane : \(3\,454 \times 3{,}00 = 10\,362\) kg = 10,4 t
Fioul : \(4\,032 \times 3{,}15 = 12\,701\) kg = 12,7 t
Granulés : 0 kg (neutre)

5. Par coût : Granulés (3 226 €) < Fioul (4 838 €) < Propane (8 635 €).
Par émissions : Granulés (0) < Propane (10,4 t) < Fioul (12,7 t).
Recommandation : les granulés de bois, les moins chers ET les moins polluants.
Exercice 11 Calcul stoechiométrique complet Approfondissement
On brûle 500 g d'octane (C8H18), composant principal de l'essence.
Masses molaires : C = 12, H = 1, O = 16 g/mol.
  1. Écrire et ajuster l'équation de combustion complète de l'octane.
  2. Calculer la masse molaire de l'octane.
  3. Calculer le nombre de moles d'octane brûlé.
  4. En déduire le nombre de moles de CO2 produit.
  5. Calculer la masse de CO2 produite.
  6. Calculer le volume de CO2 produit (dans les conditions normales : 1 mol de gaz = 24 L).
Correction :
1. \(2\,\text{C}_8\text{H}_{18} + 25\,\text{O}_2 \to 16\,\text{CO}_2 + 18\,\text{H}_2\text{O}\)

2. \(M = 8 \times 12 + 18 \times 1 = 96 + 18 = 114\) g/mol

3. \(n = 500 / 114 = 4{,}39\) mol

4. D'après l'équation : 2 mol octane → 16 mol CO2, soit 1 mol → 8 mol.
\(n(\text{CO}_2) = 4{,}39 \times 8 = 35{,}1\) mol

5. \(m(\text{CO}_2) = 35{,}1 \times 44 = 1\,544\) g ≈ 1,54 kg

6. \(V = 35{,}1 \times 24 = 842\) L ≈ 0,84 m³ de CO2
Première Bac Pro ERA-MA – Groupement 3 | Physique-Chimie – Chapitre 3 | maths-sciences-lp.github.io