Combustion du carbone et des hydrocarbures — Première Bac Pro ERA-MA
Durée : 10-15 min | Calculatrice autorisée
Barème : 20 points
Compléter les phrases avec les bons mots :
a) Lors d'une combustion complète, le carbone donne du .................. (formule : ......)
b) Lors d'une combustion incomplète, le carbone peut donner du .................. (formule : ......), un gaz très dangereux.
c) Le CO est un gaz .................., .................. et mortel.
a) Dioxyde de carbone (CO2)
b) Monoxyde de carbone (CO)
c) Le CO est un gaz incolore, inodore et mortel.
Un brûleur à gaz dans un atelier présente une flamme jaune-orange et des dépôts noirs sur les casseroles.
a) S'agit-il d'une combustion complète ou incomplète ?
b) Quel gaz dangereux peut se former ?
c) Que doit faire le menuisier ? (citer 2 actions)
a) Il s'agit d'une combustion incomplète (flamme jaune + suie).
b) Le monoxyde de carbone (CO).
c) Aérer le local et faire réviser/régler l'appareil par un technicien.
Un artisan menuisier brûle 5 kg de chutes de bois dans le poêle de l'atelier. Le pouvoir calorifique du bois est PC = 15 000 kJ/kg.
a) Écrire la formule : \(E = ... \times ...\)
b) Calculer : \(E = 5 \times 15\,000 = ...\) kJ
a) \(E = m \times \text{PC}\)
b) \(E = 5 \times 15\,000 = \mathbf{75\,000}\) kJ = 75 MJ
Voici l'équation de combustion du méthane à compléter :
CH4 + ... O2 → ... CO2 + ... H2O
a) Combien d'atomes de C à gauche ? En déduire le coefficient devant CO2.
b) Combien d'atomes de H à gauche ? En déduire le coefficient devant H2O.
c) En déduire le coefficient devant O2.
a) 1 C à gauche → 1 CO2 à droite.
b) 4 H à gauche → 2 H2O à droite (car 2 × 2 = 4 H).
c) À droite : 1 × 2 + 2 × 1 = 4 atomes d'O → 2 O2 à gauche.
\[\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\]
a) Quel phénomène naturel le CO2 renforce-t-il ?
b) Citer deux conséquences du réchauffement climatique.
a) Le CO2 renforce l'effet de serre.
b) Conséquences (2 parmi) : fonte des glaces, montée des eaux, événements météo extrêmes, sécheresses, etc.
Compléter les phrases avec les bons mots :
a) Les deux produits d'une combustion complète d'un hydrocarbure sont le .................. (formule : ......) et l'.................. (formule : ......).
b) Lors d'une combustion incomplète, il se forme du .................. (formule : ......), un gaz mortel.
c) On reconnaît une combustion incomplète à la couleur de la flamme : elle est ..................
a) Dioxyde de carbone (CO2) et eau (H2O)
b) Monoxyde de carbone (CO)
c) La flamme est jaune-orange (avec dépôts de suie noire).
Un poêle à bois dans un atelier de menuiserie présente une flamme bleue vive et aucun dépôt sur les vitres.
a) S'agit-il d'une combustion complète ou incomplète ?
b) Quels sont les produits formés ?
c) Pourquoi faut-il quand même aérer l'atelier régulièrement ? (citer 2 raisons)
a) Il s'agit d'une combustion complète (flamme bleue, pas de suie).
b) Dioxyde de carbone (CO2) et eau (H2O).
c) Il faut aérer pour renouveler le dioxygène consommé et éviter que la combustion ne devienne incomplète (risque de formation de CO).
Un ébéniste utilise 3 kg de granulés de bois pour chauffer son atelier. Le pouvoir calorifique des granulés est PC = 18 000 kJ/kg.
a) Écrire la formule : \(E = ... \times ...\)
b) Calculer : \(E = 3 \times 18\,000 = ...\) kJ
a) \(E = m \times \text{PC}\)
b) \(E = 3 \times 18\,000 = \mathbf{54\,000}\) kJ = 54 MJ
Voici l'équation de combustion du propane à compléter :
C3H8 + ... O2 → ... CO2 + ... H2O
a) Combien d'atomes de C à gauche ? En déduire le coefficient devant CO2.
b) Combien d'atomes de H à gauche ? En déduire le coefficient devant H2O.
c) En déduire le coefficient devant O2.
a) 3 C à gauche → 3 CO2 à droite.
b) 8 H à gauche → 4 H2O à droite (car 4 × 2 = 8 H).
c) À droite : 3 × 2 + 4 × 1 = 10 atomes d'O → 5 O2 à gauche.
\[\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\]
a) Pourquoi le bois est-il considéré comme un combustible « neutre en carbone » contrairement au gaz naturel ?
b) Citer deux gestes qu'un artisan menuisier peut adopter pour limiter les émissions de CO2 dans son atelier.
a) Le bois est « neutre en carbone » car le CO2 libéré lors de la combustion a été absorbé par l'arbre pendant sa croissance (photosynthèse). Le gaz naturel (fossile) libère du carbone stocké depuis des millions d'années.
b) Gestes (2 parmi) : isoler l'atelier pour réduire les besoins de chauffage, utiliser du bois de chutes pour le chauffage, privilégier les énergies renouvelables, etc.
Barème : 20 points
Ajuster l'équation de combustion complète du propane :
C3H8 + ... O2 → ... CO2 + ... H2O
Vérifier en comptant les atomes de chaque espèce.
C : 3 → 3 CO2. H : 8 → 4 H2O. O : 3×2 + 4×1 = 10 → 5 O2.
\[\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\]
Vérification : C : 3=3, H : 8=8, O : 10=6+4=10.
Un ébéniste utilise une bouteille de propane de 13 kg pour chauffer son atelier. Le pouvoir calorifique du propane est PC = 46 300 kJ/kg.
a) Calculer l'énergie libérée par la combustion de la bouteille entière.
b) Convertir cette énergie en kWh (1 kWh = 3 600 kJ).
a) \(E = 13 \times 46\,300 = \mathbf{601\,900}\) kJ ≈ 602 MJ
b) \(E = 601\,900 / 3\,600 = \mathbf{167}\) kWh
La combustion de 1 kg de propane produit 3,0 kg de CO2. Un chauffage d'atelier de menuiserie consomme 2 bouteilles de 13 kg de propane par mois en hiver.
a) Calculer la masse de propane brûlée par mois.
b) Calculer la masse de CO2 émise par mois.
a) Masse : \(2 \times 13 = \mathbf{26}\) kg/mois
b) CO2 : \(26 \times 3{,}0 = \mathbf{78}\) kg de CO2 par mois
Un technicien d'agencement utilise un chalumeau au butane pour décaper une vieille peinture. Il travaille dans un local fermé.
a) Écrire les noms des réactifs et des produits de la combustion complète du butane.
b) Pourquoi le travail en local fermé est-il dangereux ? Citer deux risques.
a) Réactifs : butane (combustible) + dioxygène (comburant). Produits : dioxyde de carbone (CO2) + eau (H2O).
b) Risques en local fermé :
Compléter le tableau comparatif :
| Combustion complète | Combustion incomplète | |
|---|---|---|
| Couleur de la flamme | ... | ... |
| Dépôts | ... | ... |
| Produits carbonés | ... | ... |
| Danger | ... | ... |
| Combustion complète | Combustion incomplète | |
|---|---|---|
| Couleur de la flamme | Bleue | Jaune-orange |
| Dépôts | Aucun | Suie noire (carbone) |
| Produits carbonés | CO2 | CO + C (+ CO2) |
| Danger | Effet de serre (CO2) | Intoxication au CO (mortel) |
Ajuster l'équation de combustion complète du butane :
C4H10 + ... O2 → ... CO2 + ... H2O
Vérifier en comptant les atomes de chaque espèce.
C : 4 → 4 CO2. H : 10 → 5 H2O. O : 4×2 + 5×1 = 13 → 13/2 = 6,5 O2.
On multiplie tout par 2 :
\[2\,\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\,\text{O}_2 \longrightarrow 8\,\text{CO}_2 + 10\,\text{H}_2\text{O}\]
Vérification : C : 8=8, H : 20=20, O : 26=16+10=26.
Un menuisier agenceur utilise une bouteille de butane de 13 kg pour un chauffage d'appoint. Le pouvoir calorifique du butane est PC = 45 600 kJ/kg.
a) Calculer l'énergie libérée par la combustion de la bouteille entière.
b) Convertir cette énergie en kWh (1 kWh = 3 600 kJ).
a) \(E = 13 \times 45\,600 = \mathbf{592\,800}\) kJ ≈ 593 MJ
b) \(E = 592\,800 / 3\,600 = \mathbf{164{,}7}\) kWh ≈ 165 kWh
La combustion de 1 kg de butane produit 3,03 kg de CO2. Un ébéniste consomme 3 bouteilles de 13 kg de butane par mois en hiver pour chauffer son atelier.
a) Calculer la masse de butane brûlée par mois.
b) Calculer la masse de CO2 émise par mois.
a) Masse : \(3 \times 13 = \mathbf{39}\) kg/mois
b) CO2 : \(39 \times 3{,}03 = \mathbf{118{,}2}\) kg de CO2 par mois
Un technicien d'agencement utilise un chalumeau au propane pour souder des raccords de cuivre. Il travaille dans un local mal ventilé.
a) Écrire les noms des réactifs et des produits de la combustion complète du propane.
b) Pourquoi le travail en local mal ventilé est-il dangereux ? Citer deux risques.
a) Réactifs : propane (combustible) + dioxygène (comburant). Produits : dioxyde de carbone (CO2) + eau (H2O).
b) Risques en local mal ventilé :
Associer chaque observation à la bonne situation :
| Observation | Combustion complète | Combustion incomplète |
|---|---|---|
| Production de CO2 uniquement | ... | ... |
| Flamme jaune-orange | ... | ... |
| Formation de CO | ... | ... |
| Flamme bleue | ... | ... |
| Observation | Combustion complète | Combustion incomplète |
|---|---|---|
| Production de CO2 uniquement | ✓ | |
| Flamme jaune-orange | ✓ | |
| Formation de CO | ✓ | |
| Flamme bleue | ✓ |
Barème : 20 points
Ajuster l'équation de combustion complète du butane C4H10. Détailler les étapes d'ajustement (C, puis H, puis O).
Étape 1 : C4H10 + O2 → CO2 + H2O
Étape 2 (C) : 4 C → 4 CO2
Étape 3 (H) : 10 H → 5 H2O
Étape 4 (O) : À droite : 4×2 + 5×1 = 13 atomes d'O → 13/2 = 6,5 O2
On multiplie tout par 2 pour avoir des nombres entiers :
\[2\,\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\,\text{O}_2 \longrightarrow 8\,\text{CO}_2 + 10\,\text{H}_2\text{O}\]
Vérification : C : 8=8, H : 20=20, O : 26=16+10=26.
Calculer la masse de CO2 produite par la combustion complète de 1 kg de propane (C3H8) en utilisant les masses molaires.
Données : M(C) = 12 g/mol, M(H) = 1 g/mol, M(O) = 16 g/mol.
Équation : C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O
Masses molaires :
\(M(\text{C}_3\text{H}_8) = 3 \times 12 + 8 \times 1 = \mathbf{44}\) g/mol
\(M(\text{CO}_2) = 12 + 2 \times 16 = \mathbf{44}\) g/mol
D'après l'équation : 1 mol de C3H8 (44 g) → 3 mol de CO2 (3 × 44 = 132 g).
Pour 1 kg = 1 000 g :
\[m(\text{CO}_2) = \frac{1\,000}{44} \times 132 = \mathbf{3\,000}\text{ g} = 3{,}0\text{ kg}\]
1 kg de propane produit 3 kg de CO2.
Un menuisier agenceur compare deux solutions de chauffage pour son atelier (5 mois d'hiver) :
a) Calculer l'énergie totale produite par chaque solution.
b) Calculer les émissions totales de CO2 de chaque solution.
c) Quelle solution est préférable pour l'environnement ? Justifier.
a) Bois : \(E = 400 \times 15\,000 = 6\,000\,000\) kJ = 6 000 MJ
Propane : \(E = 80 \times 46\,300 = 3\,704\,000\) kJ = 3 704 MJ
b) Bois : \(400 \times 1{,}8 = 720\) kg de CO2. Propane : \(80 \times 3{,}0 = 240\) kg de CO2.
c) Le propane émet moins de CO2 (240 kg vs 720 kg). Cependant, le bois est considéré comme neutre en carbone car le CO2 libéré a été absorbé par l'arbre pendant sa croissance. Le bois est donc préférable pour l'environnement si issu de forêts gérées durablement.
Ajuster l'équation de combustion complète de l'éthanol C2H6O (solvant utilisé en menuiserie).
Détailler les 4 étapes d'ajustement.
Étape 1 : C2H6O + O2 → CO2 + H2O
Étape 2 (C) : 2 C → 2 CO2
Étape 3 (H) : 6 H → 3 H2O
Étape 4 (O) : À droite : 2×2 + 3×1 = 7 O. À gauche : 1 (dans C2H6O) + 2x = 7 → x = 3.
\[\text{C}_2\text{H}_6\text{O} + 3\,\text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{CO}_2 + 3\,\text{H}_2\text{O}\]
Vérification : C : 2=2, H : 6=6, O : 1+6=7=4+3=7.
Un fabricant de mobilier utilise un chauffage au gaz (butane) dans son atelier. Un matin d'hiver, les ouvriers se plaignent de maux de tête et de vertiges.
a) Quel gaz est probablement responsable de ces symptômes ?
b) Expliquer pourquoi ce gaz se forme alors que le brûleur fonctionne.
c) Proposer trois mesures de prévention pour éviter cette situation.
a) Le monoxyde de carbone (CO).
b) Le local est mal ventilé → le dioxygène est consommé par la combustion → il n'y a plus assez d'O2 → la combustion devient incomplète → production de CO au lieu de CO2.
c) Mesures de prévention :
Ajuster l'équation de combustion complète du propane C3H8. Détailler les étapes d'ajustement (C, puis H, puis O).
Étape 1 : C3H8 + O2 → CO2 + H2O
Étape 2 (C) : 3 C → 3 CO2
Étape 3 (H) : 8 H → 4 H2O
Étape 4 (O) : À droite : 3×2 + 4×1 = 10 atomes d'O → 5 O2 à gauche.
\[\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\]
Vérification : C : 3=3, H : 8=8, O : 10=6+4=10.
Calculer la masse de CO2 produite par la combustion complète de 1 kg de butane (C4H10) en utilisant les masses molaires.
Données : M(C) = 12 g/mol, M(H) = 1 g/mol, M(O) = 16 g/mol.
Équation : 2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O
Masses molaires :
\(M(\text{C}_4\text{H}_{10}) = 4 \times 12 + 10 \times 1 = \mathbf{58}\) g/mol
\(M(\text{CO}_2) = 12 + 2 \times 16 = \mathbf{44}\) g/mol
D'après l'équation : 2 mol de C4H10 (2 × 58 = 116 g) → 8 mol de CO2 (8 × 44 = 352 g).
Pour 1 kg = 1 000 g :
\[m(\text{CO}_2) = \frac{1\,000}{116} \times 352 = \mathbf{3\,034}\text{ g} \approx 3{,}03\text{ kg}\]
1 kg de butane produit environ 3,03 kg de CO2.
Un ébéniste compare deux solutions de chauffage pour son atelier (5 mois d'hiver) :
a) Calculer l'énergie totale produite par chaque solution.
b) Calculer les émissions totales de CO2 de chaque solution.
c) Quelle solution est préférable pour l'environnement ? Justifier.
a) Propane : \(E = 100 \times 46\,300 = 4\,630\,000\) kJ = 4 630 MJ
Granulés : \(E = 500 \times 18\,000 = 9\,000\,000\) kJ = 9 000 MJ
b) Propane : \(100 \times 3{,}0 = 300\) kg de CO2. Granulés : \(500 \times 0{,}04 = 20\) kg de CO2 (net).
c) Les granulés de bois sont nettement préférables : ils produisent presque deux fois plus d'énergie (9 000 vs 4 630 MJ) pour 15 fois moins d'émissions nettes de CO2 (20 kg vs 300 kg), car le bois est une énergie renouvelable et quasi neutre en carbone.
Ajuster l'équation de combustion complète du méthanol CH4O (solvant utilisé en ébénisterie).
Détailler les 4 étapes d'ajustement.
Étape 1 : CH4O + O2 → CO2 + H2O
Étape 2 (C) : 1 C → 1 CO2
Étape 3 (H) : 4 H → 2 H2O
Étape 4 (O) : À droite : 1×2 + 2×1 = 4 O. À gauche : 1 (dans CH4O) + 2x = 4 → x = 1,5.
On multiplie tout par 2 :
\[2\,\text{CH}_4\text{O} + 3\,\text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\]
Vérification : C : 2=2, H : 8=8, O : 2+6=8=4+4=8.
Un technicien d'agencement utilise un chauffage au propane dans un local de chantier. En fin de journée, plusieurs ouvriers signalent des nausées et une fatigue inhabituelle.
a) Quel gaz est probablement responsable de ces symptômes ?
b) Expliquer pourquoi ce gaz se forme alors que le brûleur fonctionne.
c) Proposer trois mesures de prévention pour éviter cette situation.
a) Le monoxyde de carbone (CO).
b) Le local est mal ventilé → le dioxygène est consommé par la combustion tout au long de la journée → il n'y a plus assez d'O2 → la combustion devient incomplète → production de CO au lieu de CO2.
c) Mesures de prévention :