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Ch03 – Combustion du carbone et des hydrocarbures

Exercices | Première Bac Pro ICCER (Grpt 1) – Combustion, CO₂, énergie thermique

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Rappels du cours

Exercices guidés pas à pas

Exercice 1 Vocabulaire de la combustion Socle

Compléter les phrases avec les mots : combustible, comburant, combustion, dioxygène, dioxyde de carbone, eau, monoxyde de carbone, effet de serre, complète, incomplète.

  1. Une ............... est une réaction chimique entre un ............... et un ...............
  2. Le comburant est le ............... (\(\text{O}_2\)) présent dans l'air.
  3. Si la combustion est ..............., les produits sont le ............... et l'...............
  4. Si la combustion est ..............., il se forme du ............... (CO), un gaz dangereux.
  5. Le CO₂ est un gaz à ............... qui contribue au réchauffement climatique.
  1. Une combustion est une réaction chimique entre un combustible et un comburant.
  2. Le comburant est le dioxygène (\(\text{O}_2\)) présent dans l'air.
  3. Si la combustion est complète, les produits sont le dioxyde de carbone et l'eau.
  4. Si la combustion est incomplète, il se forme du monoxyde de carbone (CO), un gaz dangereux.
  5. Le CO₂ est un gaz à effet de serre qui contribue au réchauffement climatique.
Exercice 2 Complète ou incomplète ? Socle

Pour chaque situation, indiquer si la combustion est complète ou incomplète. Justifier.

  1. La flamme d'un bec Bunsen est bleue.
  2. Un poêle à bois produit de la suie noire dans le conduit de cheminée.
  3. L'analyseur de fumées d'une chaudière à gaz indique 0 ppm de CO.
  4. La flamme d'une bougie est jaune-orangé.
  5. Un brûleur de chaudière émet une flamme jaune et il y a une odeur inhabituelle.
  1. Complète : une flamme bleue indique une combustion avec suffisamment d'O₂.
  2. Incomplète : la suie (carbone) est un signe de manque d'O₂.
  3. Complète : 0 ppm de CO signifie qu'il n'y a pas de monoxyde de carbone.
  4. Incomplète : une flamme jaune-orangé indique un manque de dioxygène.
  5. Incomplète : flamme jaune et odeur indiquent une mauvaise combustion. Il faut arrêter l'appareil et le faire vérifier.
Socle
Exercice 3 Combustion du méthane : étapes guidées

On réalise la combustion complète du méthane \(\text{CH}_4\).

1. Quels sont les réactifs ? (Nommer le combustible et le comburant)

2. Quels sont les produits de la combustion complète ? (Deux produits)

3. Compléter l'équation :

\(\text{CH}_4 + ....\,\text{O}_2 \longrightarrow ....\,\text{CO}_2 + ....\,\text{H}_2\text{O}\)

4. Vérifier l'équilibrage en comptant les atomes :

AtomeÀ gaucheÀ droiteÉquilibré ?
C..................
H..................
O..................

1. Combustible : méthane (\(\text{CH}_4\)). Comburant : dioxygène (\(\text{O}_2\)).

2. Dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)) et eau (\(\text{H}_2\text{O}\)).

3. \(\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \longrightarrow 1\,\text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\)

4.

AtomeÀ gaucheÀ droiteÉquilibré ?
C11Oui
H44Oui
O44 (2+2)Oui
Socle
Exercice 4 Masse de CO₂ : calcul guidé

Une chaudière à gaz consomme 800 kg de méthane par an.

1. Quelle est la masse molaire du méthane \(\text{CH}_4\) ?

\(M(\text{CH}_4) = M(\text{C}) + 4 \times M(\text{H}) = ....... + 4 \times ....... = ....... \text{ g/mol}\)

2. Quelle est la masse molaire du CO₂ ?

\(M(\text{CO}_2) = M(\text{C}) + 2 \times M(\text{O}) = ....... + 2 \times ....... = ....... \text{ g/mol}\)

3. D'après l'équation, 1 mole de CH₄ produit 1 mole de CO₂. Donc 16 g de CH₄ produisent ....... g de CO₂.

4. Pour 800 kg de méthane, calculer la masse de CO₂ :

\(m_{\text{CO}_2} = 800 \times \dfrac{44}{16} = 800 \times ....... = ....... \text{ kg}\)

1. \(M(\text{CH}_4) = 12 + 4 \times 1 = 16 \text{ g/mol}\)

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

3. 16 g de CH₄ produisent 44 g de CO₂.

4. \(m_{\text{CO}_2} = 800 \times \dfrac{44}{16} = 800 \times 2{,}75 = 2\,200 \text{ kg} = 2{,}2 \text{ tonnes}\)

Socle
Exercice 5 Sécurité et CO

Répondre par Vrai ou Faux. Corriger les affirmations fausses.

  1. Le monoxyde de carbone (CO) a une forte odeur qui permet de le détecter.
  2. Une flamme jaune sur un brûleur à gaz indique une combustion incomplète.
  3. Le CO se fixe sur l'hémoglobine à la place du dioxygène.
  4. Une bonne ventilation du local n'est pas nécessaire si la chaudière est récente.
  5. L'entretien annuel de la chaudière est obligatoire.
  1. Faux. Le CO est inodore et incolore, ce qui le rend particulièrement dangereux.
  2. Vrai.
  3. Vrai. C'est ce qui provoque l'asphyxie.
  4. Faux. La ventilation est toujours nécessaire, quelle que soit l'ancienneté de la chaudière, pour apporter l'air de combustion et évacuer les fumées.
  5. Vrai. L'entretien annuel est obligatoire et permet de vérifier la qualité de la combustion.

Exercices d'application

Standard
Exercice 6 Équilibrer des équations de combustion

Équilibrer les équations de combustion complète suivantes :

  1. \(\text{C}_2\text{H}_6 + .....\,\text{O}_2 \longrightarrow .....\,\text{CO}_2 + .....\,\text{H}_2\text{O}\) (éthane)
  2. \(\text{C}_3\text{H}_8 + .....\,\text{O}_2 \longrightarrow .....\,\text{CO}_2 + .....\,\text{H}_2\text{O}\) (propane)
  3. \(\text{C}_4\text{H}_{10} + .....\,\text{O}_2 \longrightarrow .....\,\text{CO}_2 + .....\,\text{H}_2\text{O}\) (butane)
  4. \(\text{C}_8\text{H}_{18} + .....\,\text{O}_2 \longrightarrow .....\,\text{CO}_2 + .....\,\text{H}_2\text{O}\) (octane, essence)
  1. \(2\,\text{C}_2\text{H}_6 + 7\,\text{O}_2 \longrightarrow 4\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}\)
  2. \(\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\)
  3. \(2\,\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\,\text{O}_2 \longrightarrow 8\,\text{CO}_2 + 10\,\text{H}_2\text{O}\)
  4. \(2\,\text{C}_8\text{H}_{18} + 25\,\text{O}_2 \longrightarrow 16\,\text{CO}_2 + 18\,\text{H}_2\text{O}\)
Standard
Exercice 7 Bilan carbone d'une chaudière

Un technicien de maintenance énergétique évalue les émissions de CO₂ d'une chaudière au propane (\(\text{C}_3\text{H}_8\)) qui consomme 1 200 kg de propane par an.

  1. Écrire l'équation de combustion complète du propane.
  2. Calculer les masses molaires de \(\text{C}_3\text{H}_8\) et de \(\text{CO}_2\).
  3. D'après l'équation, combien de moles de CO₂ sont produites par mole de propane ?
  4. Calculer la masse de CO₂ produite par la combustion de 1 kg de propane.
  5. Calculer la masse totale de CO₂ émise en un an.
  6. Si le client remplace sa chaudière par une pompe à chaleur (facteur d'émission : 50 g CO₂/kWh, pour une consommation de 4 000 kWh/an), calculer la réduction d'émissions en kg.
  1. \(\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\)
  2. \(M(\text{C}_3\text{H}_8) = 3 \times 12 + 8 \times 1 = 44 \text{ g/mol}\). \(M(\text{CO}_2) = 44 \text{ g/mol}\).
  3. 1 mole de propane produit 3 moles de CO₂.
  4. 44 g de propane → \(3 \times 44 = 132\) g de CO₂. Pour 1 kg : \(m_{\text{CO}_2} = 1\,000 \times \dfrac{132}{44} = 3\,000 \text{ g} = 3 \text{ kg}\).
  5. \(m_{\text{CO}_2} = 1\,200 \times 3 = 3\,600 \text{ kg} = 3{,}6 \text{ tonnes}\)
  6. PAC : \(4\,000 \times 0{,}050 = 200 \text{ kg de CO}_2\). Réduction = \(3\,600 - 200 = 3\,400 \text{ kg}\), soit une réduction de 94 %.
Standard
Exercice 8 Énergie d'une combustion

Un poêle à granulés de bois consomme 2 kg de granulés par heure. Le pouvoir calorifique des granulés est de 17 MJ/kg. Le rendement du poêle est de 90 %.

  1. Calculer l'énergie totale libérée par la combustion en une heure.
  2. Calculer l'énergie utile (restituée au logement) en une heure.
  3. Exprimer cette énergie utile en kWh.
  4. Le poêle fonctionne 6 h par jour pendant 150 jours. Calculer l'énergie utile annuelle en kWh.
  5. Le prix des granulés est de 0,35 €/kg. Calculer le coût annuel de chauffage.
  1. \(E = 2 \times 17 = 34 \text{ MJ} = 34\,000 \text{ kJ}\)
  2. \(E_u = 34\,000 \times 0{,}90 = 30\,600 \text{ kJ}\)
  3. \(E_u = \dfrac{30\,600}{3\,600} = 8{,}5 \text{ kWh}\)
  4. \(E_{an} = 8{,}5 \times 6 \times 150 = 7\,650 \text{ kWh/an}\)
  5. Masse annuelle = \(2 \times 6 \times 150 = 1\,800 \text{ kg}\). Coût = \(1\,800 \times 0{,}35 = 630 \text{ €/an}\)

Exercices d'approfondissement

Approfondissement
Exercice 9 Comparaison de systèmes de chauffage (type BTS)

Un ingénieur thermicien compare trois solutions de chauffage pour un logement dont les besoins sont de 12 000 kWh thermiques par an :

Chaudière gazChaudière fioulPAC air/eau
Combustible/énergieMéthaneFioul domestiqueÉlectricité
Rendement / COP95 %88 %COP = 3,5
Pouvoir calorifique50 MJ/kg42 MJ/kg—
Prix énergie1,10 €/kg1,30 €/L (densité 0,85)0,22 €/kWh
Facteur CO₂2,75 kg/kg3,15 kg/kg50 g/kWh élec
  1. Pour chaque solution, calculer l'énergie totale à fournir (en tenant compte du rendement ou du COP).
  2. Calculer la masse de combustible nécessaire pour les chaudières et l'énergie électrique pour la PAC.
  3. Calculer le coût annuel de chaque solution.
  4. Calculer les émissions annuelles de CO₂ pour chaque solution.
  5. Rédiger une conclusion argumentée en comparant les trois solutions sur les plans économique et environnemental.
  1. Gaz : \(E_{\text{tot}} = \dfrac{12\,000}{0{,}95} = 12\,632 \text{ kWh} = 12\,632 \times 3{,}6 = 45\,474 \text{ MJ}\)
    Fioul : \(E_{\text{tot}} = \dfrac{12\,000}{0{,}88} = 13\,636 \text{ kWh} = 49\,091 \text{ MJ}\)
    PAC : \(E_{\text{élec}} = \dfrac{12\,000}{3{,}5} = 3\,429 \text{ kWh}\)
  2. Gaz : \(m = \dfrac{45\,474}{50} = 909 \text{ kg}\)
    Fioul : \(m = \dfrac{49\,091}{42} = 1\,169 \text{ kg}\), volume = \(\dfrac{1\,169}{0{,}85} = 1\,375 \text{ L}\)
    PAC : 3 429 kWh d'électricité
  3. Gaz : \(909 \times 1{,}10 = 1\,000 \text{ €}\)
    Fioul : \(1\,375 \times 1{,}30 = 1\,788 \text{ €}\)
    PAC : \(3\,429 \times 0{,}22 = 754 \text{ €}\)
  4. Gaz : \(909 \times 2{,}75 = 2\,500 \text{ kg CO}_2\)
    Fioul : \(1\,169 \times 3{,}15 = 3\,682 \text{ kg CO}_2\)
    PAC : \(3\,429 \times 0{,}050 = 171 \text{ kg CO}_2\)
  5. La PAC est la solution la plus avantageuse sur les deux plans : elle coûte le moins cher (754 €/an) et émet le moins de CO₂ (171 kg, soit 15 fois moins que le gaz et 22 fois moins que le fioul). Le gaz est intermédiaire. Le fioul est le plus cher et le plus polluant. La transition vers les PAC est donc doublement justifiée.
Approfondissement
Exercice 10 Rendement d'un moteur thermique

Un groupe électrogène diesel alimente un chantier isolé. Il consomme 4,5 L de gazole par heure (densité 0,84 kg/L, pouvoir calorifique 43 MJ/kg). Sa puissance électrique utile est de 15 kW.

  1. Calculer la masse de gazole consommée par heure.
  2. Calculer l'énergie chimique totale libérée par la combustion en une heure.
  3. Calculer l'énergie électrique utile produite en une heure (en MJ).
  4. Calculer le rendement du groupe électrogène.
  5. Quelle est la puissance dissipée en chaleur ? Où va cette énergie ?
  6. Le chantier dure 20 jours (8 h/jour). Calculer la masse totale de CO₂ émise (facteur : 3,15 kg CO₂/kg gazole).
  1. \(m = 4{,}5 \times 0{,}84 = 3{,}78 \text{ kg/h}\)
  2. \(E_{\text{chimique}} = 3{,}78 \times 43 = 162{,}5 \text{ MJ}\)
  3. \(E_{\text{utile}} = 15 \times 3\,600 = 54\,000 \text{ kJ} = 54 \text{ MJ}\)
  4. \(\eta = \dfrac{54}{162{,}5} = 0{,}332 = 33{,}2\;\%\)
  5. \(P_{\text{perdue}} = P_{\text{chimique}} - P_{\text{utile}} = \dfrac{162\,500}{3\,600} - 15 = 45{,}1 - 15 = 30{,}1 \text{ kW}\). Cette énergie est dissipée dans le radiateur du moteur, les gaz d'échappement et le rayonnement.
  6. Masse de gazole totale : \(3{,}78 \times 8 \times 20 = 604{,}8 \text{ kg}\). \(m_{\text{CO}_2} = 604{,}8 \times 3{,}15 = 1\,905 \text{ kg} \approx 1{,}9 \text{ tonnes}\)