Chapitre 3 – Exercices par capacités

Combustion du carbone et des hydrocarbures | 1ère Bac Pro ICCER | Physique-Chimie

Capacités et connaissances du programme :

C1 – Écrire et équilibrer une équation de combustion complète (carbone, méthane, propane)
C2 – Calculer la masse de CO₂ produite lors d'une combustion
C3 – Distinguer combustion complète et incomplète (CO, suies)
C4 – Calculer l'énergie libérée par une combustion (\(Q = m \times \text{PCI}\))
C5 – Identifier les risques liés aux produits de combustion

C1 — Équations de combustion complète

Combustions complètes de référence :

Carbone : \(\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\)
Méthane (gaz naturel) : \(\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\)
Propane (GPL) : \(\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \rightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\)
Butane : \(\text{C}_4\text{H}_{10} + \frac{13}{2}\,\text{O}_2 \rightarrow 4\,\text{CO}_2 + 5\,\text{H}_2\text{O}\)

Exercice 1 – Combustion du carbone

Le charbon est principalement composé de carbone (C).

a) Écrire l'équation de combustion complète du carbone.

b) Quels sont les réactifs et les produits ?

Mes calculs :

Exercice 2 – Combustion du méthane

Une chaudière à gaz naturel brûle du méthane (CH₄).

a) Écrire l'équation de combustion complète du méthane.

b) Vérifier que l'équation est bien équilibrée (même nombre d'atomes de chaque côté).

Mes calculs :

Exercice 3 – Combustion du propane

Une chaudière à gaz propane brûle du propane (C₃H₈).

Écrire et équilibrer l'équation de combustion complète du propane.

Mes calculs :

Exercice 4 – Identifier les combustibles

Un plombier chauffagiste travaille sur trois installations : une chaudière gaz naturel, un poêle à granulés de bois, et un brûleur à propane.

Pour chaque installation, identifier le combustible principal et écrire son équation de combustion complète simplifiée (on assimile le bois à du carbone pur).

Mes calculs :

C2 — Masse de CO₂ produite

Méthode : On utilise les masses molaires : C = 12 g/mol ; O = 16 g/mol ; H = 1 g/mol. Donc : CO₂ → \(M = 12 + 2 \times 16 = 44\) g/mol ; CH₄ → \(M = 12 + 4 = 16\) g/mol ; C₃H₈ → \(M = 36 + 8 = 44\) g/mol. La proportion molaire de l'équation donne les masses produites.

Exercice 1 – CO₂ produit par la combustion du méthane

Un installateur thermique brûle 1 kg de méthane (CH₄) dans une chaudière.

a) Rappeler l'équation de combustion complète du méthane.

b) Calculer la masse de CO₂ produite. (Masses molaires : C = 12 ; H = 1 ; O = 16 g/mol)

Mes calculs :

Exercice 2 – CO₂ produit par la combustion du propane

Une bouteille de propane (C₃H₈) de 13 kg est entièrement brûlée dans une chaudière.

Calculer la masse totale de CO₂ rejetée dans l'atmosphère. (M(C₃H₈) = 44 g/mol, M(CO₂) = 44 g/mol)

Mes calculs :

Exercice 3 – Bilan carbone d'une chaudière

Une chaudière à gaz naturel consomme 2 500 m³ de méthane par an. À 0°C et 1 atm, 1 m³ de méthane a une masse d'environ 0,72 kg.

Calculer la masse annuelle de CO₂ émise par cette chaudière.

Mes calculs :

C3 — Combustion complète et incomplète

À retenir :

Combustion complète : suffisamment d'O₂ → produits : CO₂ + H₂O (sans danger direct)
Combustion incomplète : manque d'O₂ → produits : CO (monoxyde de carbone, TRÈS TOXIQUE) + suies (imbrûlés)
Le CO est inodore, incolore et potentiellement mortel → détecteur obligatoire

Exercice 1 – Identifier le type de combustion

Un technicien chauffagiste inspecte deux chaudières :

Chaudière A : flamme bleue, pas de dépôt noir, évacuation de CO₂ et H₂O
Chaudière B : flamme jaune orangé, dépôts noirs sur le brûleur, traces de suie

Identifier le type de combustion de chaque chaudière et justifier.

Mes calculs :

Exercice 2 – Équation de combustion incomplète

Lors d'une combustion incomplète du méthane par manque d'O₂, du monoxyde de carbone (CO) est produit à la place du CO₂.

Écrire l'équation de combustion incomplète du méthane produisant du CO.

Mes calculs :

Exercice 3 – Causes d'une combustion incomplète

Un plombier chauffagiste est appelé pour une panne d'une chaudière. Il constate une combustion incomplète.

Citer quatre causes possibles d'une combustion incomplète dans une chaudière à gaz.

Mes calculs :

Exercice 4 – Comparer les produits

Compléter le tableau comparatif entre combustion complète et incomplète du méthane :

Critère	Complète	Incomplète
Apport en O₂	?	?
Produits gazeux	?	?
Couleur de flamme	?	?
Danger	?	?

Mes calculs :

Critère	Complète	Incomplète
Apport en O₂	Suffisant	Insuffisant
Produits gazeux	CO₂ + H₂O	CO + H₂O + suies
Couleur de flamme	Bleue	Jaune orangé
Danger	Faible (CO₂ non toxique)	ÉLEVÉ (CO toxique mortel)

C4 — Énergie libérée par une combustion

Méthode : L'énergie libérée par la combustion d'une masse \(m\) de combustible est : \[Q = m \times \text{PCI}\] Le PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) est l'énergie libérée par kg de combustible (en MJ/kg ou kWh/kg). Valeurs usuelles : méthane ≈ 50 MJ/kg ; propane ≈ 46 MJ/kg ; charbon ≈ 30 MJ/kg.

Exercice 1 – Énergie d'une chaudière gaz

Une chaudière à gaz naturel brûle 5 kg de méthane. Le PCI du méthane est 50 MJ/kg.

a) Calculer l'énergie thermique libérée en MJ.

b) Convertir en kWh.

Mes calculs :

Exercice 2 – Consommation de propane

Un technicien chauffagiste doit fournir une énergie de \(Q = 230\) MJ pour chauffer un bâtiment. Le combustible utilisé est le propane (PCI = 46 MJ/kg).

Calculer la masse de propane à brûler.

Mes calculs :

Exercice 3 – Comparer les combustibles

Pour chauffer une pièce, un installateur compare deux combustibles capables de fournir \(Q = 1\,000\) MJ :

Méthane : PCI = 50 MJ/kg
Fioul : PCI = 42 MJ/kg

Calculer la masse de chaque combustible nécessaire. Lequel est plus « énergétique » au kilogramme ?

Mes calculs :

Exercice 4 – Rendement d'une chaudière

Une chaudière à gaz brûle 10 kg de méthane (PCI = 50 MJ/kg) et fournit réellement 420 MJ d'énergie thermique utile.

a) Calculer l'énergie chimique disponible.

b) Calculer le rendement de la chaudière en %.

Mes calculs :

C5 — Risques liés aux produits de combustion

Attention : Le monoxyde de carbone (CO) est le premier gaz responsable d'accidents domestiques mortels en France. Il est inodore, incolore et non irritant : imperceptible par les sens. Une concentration de 1 600 ppm peut être mortelle en 2 heures.

Exercice 1 – Les dangers du monoxyde de carbone

Lors d'une intervention, un technicien chauffagiste explique à un client les risques liés au CO.

a) Pourquoi le CO est-il particulièrement dangereux par rapport au CO₂ ?

b) Quelle est l'action du CO sur l'organisme ?

c) Quel dispositif de sécurité doit être installé dans un logement avec une chaudière à gaz ?

Mes calculs :

Exercice 2 – Les suies et l'encrassement

Un technicien CVC constate un encrassement important du brûleur d'une chaudière lors de la révision annuelle.

a) Quel phénomène est à l'origine des suies ?

b) Quels risques supplémentaires l'encrassement cause-t-il sur la chaudière ?

Mes calculs :

Exercice 3 – Prévention des accidents

Citer cinq mesures de prévention pour éviter les accidents liés aux produits de combustion dans un logement équipé d'une chaudière à gaz.

Mes calculs :

Exercice 4 – Gestes d'urgence

Un occupant ressent des maux de tête, vertiges et nausées dans une pièce où fonctionne une chaudière à gaz. Une intoxication au CO est suspectée.

Décrire les gestes d'urgence à effectuer dans l'ordre.

Mes calculs :