Chapitre 3 – Combustion du carbone et des hydrocarbures

Première Bac Pro ICCER (Grpt 1) | Physique – Chimie | Combustion et énergie thermique

Dernière mise à jour : 10 juin 2026, 01:25

Objectifs du chapitre

Identifier les réactifs et les produits d'une réaction de combustion
Distinguer combustion complète et combustion incomplète
Connaître la dangerosité du monoxyde de carbone (CO)
Écrire et équilibrer l'équation de combustion d'un hydrocarbure
Comprendre le lien entre combustion, énergie thermique et CO₂
Calculer la masse de CO₂ dégagée par une combustion

Situation professionnelle

Hugo, technicien chauffagiste en stage chez Flamme Énergie, intervient pour la mise en service d'une chaudière à gaz dans un pavillon. Avant d'allumer la chaudière, son tuteur lui demande de vérifier le conduit d'évacuation des fumées et de contrôler la qualité de la combustion avec un analyseur de fumées.

Hugo se pose plusieurs questions :

Que se passe-t-il chimiquement quand le gaz brûle dans la chaudière ?
Pourquoi un mauvais tirage du conduit de fumées est-il dangereux ?
Comment calculer la quantité de CO₂ rejetée par la chaudière en un hiver ?

Ces questions trouveront une réponse complète au fil de ce chapitre.

1. Qu'est-ce qu'une combustion ?

Définition Une combustion est une réaction chimique entre un combustible (la substance qui brûle) et un comburant (le dioxygène de l'air). Cette réaction libère de l'énergie thermique (chaleur) et de la lumière.

Les trois éléments nécessaires à une combustion forment le triangle du feu :

Combustible : gaz naturel (méthane), propane, butane, fioul, bois, charbon...
Comburant : le dioxygène \(\text{O}_2\) (environ 21 % de l'air)
Énergie d'activation : étincelle, flamme pilote, allumeur piézo-électrique...

Attention Si l'un des trois éléments du triangle du feu manque, la combustion s'arrête. C'est le principe de base de la lutte contre l'incendie : supprimer le combustible, le comburant ou l'énergie.

Application

Un technicien chauffagiste coupe l'arrivée de gaz d'une chaudière en panne. Expliquer pourquoi la flamme s'éteint immédiatement, en utilisant le concept du triangle du feu.

2. La combustion complète

2.1 Combustion complète du carbone

Définition Une combustion complète a lieu quand le combustible dispose de suffisamment de dioxygène pour brûler entièrement. Les seuls produits sont le dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)) et l'eau (\(\text{H}_2\text{O}\)).

La combustion complète du carbone \(\text{C}\) dans le dioxygène produit du dioxyde de carbone :

\[ \text{C} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 \]

Carbone + dioxygène → dioxyde de carbone

2.2 Combustion complète du méthane

Le méthane \(\text{CH}_4\) est le principal composant du gaz naturel, très utilisé en chauffage. Sa combustion complète produit du dioxyde de carbone et de l'eau :

\[ \text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} \]

Méthane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau

Méthode Comment reconnaître une combustion complète ?

La flamme est bleue (signe d'une bonne combustion).
Les seuls produits sont \(\text{CO}_2\) et \(\text{H}_2\text{O}\).
Il n'y a pas de suie (carbone non brûlé) ni de monoxyde de carbone.

2.3 Combustion complète du propane et du butane

Le propane \(\text{C}_3\text{H}_8\) et le butane \(\text{C}_4\text{H}_{10}\) sont des gaz utilisés en bouteilles (GPL) :

\[ \text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O} \]

Propane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau

\[ 2\,\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\,\text{O}_2 \longrightarrow 8\,\text{CO}_2 + 10\,\text{H}_2\text{O} \]

Butane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau

Exemple 1 — Contexte professionnel : Un installateur thermique met en service une chaudière au propane. L'analyseur de fumées indique uniquement la présence de CO₂ et de vapeur d'eau dans les gaz d'échappement, avec une flamme bleue bien réglée. La combustion est complète.

Application

Donner les produits de la combustion complète du butane \(\text{C}_4\text{H}_{10}\). Écrire l'équation non équilibrée, puis identifier les réactifs et les produits.

3. La combustion incomplète

Définition Une combustion incomplète a lieu quand le combustible ne dispose pas de suffisamment de dioxygène. En plus du CO₂ et de l'eau, elle produit des substances dangereuses : monoxyde de carbone (CO), carbone (suie) et d'autres gaz toxiques.

Exemple de combustion incomplète du méthane :

\[ 2\,\text{CH}_4 + 3\,\text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{CO} + 4\,\text{H}_2\text{O} \]

Méthane + dioxygène (insuffisant) → monoxyde de carbone + eau

Méthode Comment reconnaître une combustion incomplète ?

La flamme est jaune ou orangée (au lieu de bleue).
Des dépôts noirs (suie) apparaissent sur les surfaces.
L'analyseur de fumées détecte du CO (monoxyde de carbone).

3.1 Dangerosité du monoxyde de carbone (CO)

Attention – Danger vital Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz incolore, inodore et mortel. Il se fixe sur l'hémoglobine du sang à la place du dioxygène, provoquant une asphyxie. En France, le CO est responsable d'environ 3 000 intoxications et une centaine de décès par an.

Causes principales :

Appareil de chauffage mal entretenu ou mal réglé
Conduit d'évacuation des fumées bouché ou défectueux
Ventilation insuffisante du local

Exemple 2 — Contexte professionnel : Un technicien chauffagiste intervient pour l'entretien annuel d'une chaudière à gaz. Il constate que l'analyseur de fumées indique un taux de CO de 350 ppm (parties par million). La norme autorise un maximum de 50 ppm. Il doit immédiatement :

Arrêter la chaudière
Ventiler le local (ouvrir les fenêtres)
Nettoyer le brûleur et vérifier le conduit de fumées
Régler la combustion pour obtenir une flamme bleue
Vérifier que le taux de CO redescend sous 50 ppm

4. Équilibrer une équation de combustion

Propriété Une équation chimique doit être équilibrée : le nombre d'atomes de chaque élément doit être le même dans les réactifs et dans les produits. C'est la conservation de la matière.

Méthode Équilibrer une équation de combustion d'un hydrocarbure \(\text{C}_x\text{H}_y\) :

Écrire l'équation non équilibrée : \(\text{C}_x\text{H}_y + \text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}\)
Équilibrer les carbones : mettre le coefficient \(x\) devant CO₂
Équilibrer les hydrogènes : mettre le coefficient \(\dfrac{y}{2}\) devant H₂O
Équilibrer les oxygènes : compter le total à droite et ajuster le coefficient devant O₂
Si nécessaire, multiplier tous les coefficients pour obtenir des nombres entiers

Exemple 3 : Équilibrer la combustion complète de l'éthane \(\text{C}_2\text{H}_6\).

Étape 1 : \(\text{C}_2\text{H}_6 + \text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}\)

Étape 2 (C) : 2 carbones → coefficient 2 devant CO₂

Étape 3 (H) : 6 hydrogènes → coefficient 3 devant H₂O

\(\text{C}_2\text{H}_6 + \text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{CO}_2 + 3\,\text{H}_2\text{O}\)

Étape 4 (O) : à droite : \(2 \times 2 + 3 \times 1 = 7\) atomes d'oxygène → \(\dfrac{7}{2}\) molécules de O₂

\(\text{C}_2\text{H}_6 + \dfrac{7}{2}\,\text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{CO}_2 + 3\,\text{H}_2\text{O}\)

Étape 5 : On multiplie tout par 2 pour obtenir des entiers :

\[ 2\,\text{C}_2\text{H}_6 + 7\,\text{O}_2 \longrightarrow 4\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \]

Vérification : 4 C à gauche et 4 C à droite. 12 H à gauche et 12 H à droite. 14 O à gauche et 14 O à droite.

Application

Équilibrer la combustion complète du propane : \(\text{C}_3\text{H}_8 + \text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}\). Vérifier en comptant les atomes.

5. Énergie libérée par la combustion

Définition La combustion libère de l'énergie sous forme thermique (chaleur). La quantité d'énergie libérée par la combustion d'un kilogramme de combustible s'appelle le pouvoir calorifique (en kJ/kg ou MJ/kg).

À l'échelle de la planète, l'énergie consommée provient encore très majoritairement de combustions : pétrole, gaz naturel, charbon et biomasse représentent environ 80 % de l'énergie primaire mondiale. C'est pourquoi la maîtrise des combustions est un enjeu central de la transition énergétique.

Combustible	Pouvoir calorifique (MJ/kg)
Gaz naturel (méthane)	50
Propane	46
Butane	45
Fioul domestique	42
Bois sec	15
Charbon	30

Exemple 4 : Une chaudière consomme 2 kg de gaz naturel par heure. Calculer l'énergie thermique libérée en une heure.

\(E = m \times \text{PC} = 2 \times 50 = 100 \text{ MJ} = 100\,000 \text{ kJ}\)

En kWh : \(E = \dfrac{100\,000}{3\,600} \approx 27{,}8 \text{ kWh}\)

5.1 Moteurs thermiques

Propriété Les moteurs thermiques (moteurs à essence, diesel) convertissent l'énergie chimique de combustion en énergie mécanique (mouvement). Leur rendement est limité (25 à 40 %) : une grande partie de l'énergie est dissipée en chaleur.

Exemple 5 : Un groupe électrogène à essence a un rendement de 30 %. Il consomme 3 litres d'essence par heure (densité 0,75 kg/L, pouvoir calorifique 44 MJ/kg). Calculer la puissance mécanique utile.

Masse d'essence par heure : \(m = 3 \times 0{,}75 = 2{,}25 \text{ kg}\)

Énergie chimique par heure : \(E = 2{,}25 \times 44 = 99 \text{ MJ}\)

Énergie utile : \(E_u = 99 \times 0{,}30 = 29{,}7 \text{ MJ} = 29\,700 \text{ kJ}\)

Puissance utile : \(P = \dfrac{29\,700}{3\,600} \approx 8{,}25 \text{ kW}\)

6. CO₂, effet de serre et réchauffement climatique

Définition Le dioxyde de carbone (CO₂) est un gaz à effet de serre : il absorbe le rayonnement infrarouge émis par la Terre et contribue au réchauffement de l'atmosphère. L'augmentation de la concentration en CO₂ due aux activités humaines (combustion d'énergies fossiles) est la principale cause du réchauffement climatique.

6.1 Calculer la masse de CO₂ dégagée

Méthode Calculer la masse de CO₂ produite par la combustion du méthane :

L'équation équilibrée est : \(\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\)

Masses molaires : \(M(\text{CH}_4) = 12 + 4 = 16 \text{ g/mol}\) et \(M(\text{CO}_2) = 12 + 32 = 44 \text{ g/mol}\)

D'après l'équation : 1 mole de CH₄ (16 g) produit 1 mole de CO₂ (44 g).

Donc : la combustion de 16 g de méthane produit 44 g de CO₂.

Pour une masse \(m\) de méthane : \(m_{\text{CO}_2} = m_{\text{CH}_4} \times \dfrac{44}{16} = m_{\text{CH}_4} \times 2{,}75\)

Exemple 6 — Contexte professionnel : Un technicien de maintenance énergétique calcule les émissions de CO₂ d'une chaudière à gaz qui consomme 1 500 kg de méthane par an.

\(m_{\text{CO}_2} = 1\,500 \times 2{,}75 = 4\,125 \text{ kg} \approx 4{,}1 \text{ tonnes de CO}_2\)

Application

Une chaudière au propane consomme 800 kg de propane pendant un hiver. En utilisant le facteur d'émission du tableau, calculer la masse de CO₂ dégagée.

Exemple 7 — Comparaison environnementale : Pour chauffer un logement, on peut utiliser :

Gaz naturel : environ 230 g de CO₂ par kWh thermique
Fioul : environ 300 g de CO₂ par kWh thermique
Pompe à chaleur : environ 50 g de CO₂ par kWh thermique (électricité française)
Bois : considéré comme neutre en CO₂ (le CO₂ libéré a été capté par l'arbre pendant sa croissance)

C'est pourquoi la transition énergétique encourage le remplacement des chaudières fioul et gaz par des pompes à chaleur ou des chaudières bois.

6.2 Facteurs d'émission

Combustible	Facteur d'émission (kg CO₂/kg combustible)
Méthane (gaz naturel)	2,75
Propane	3,00
Butane	3,03
Fioul domestique	3,15
Charbon	3,67

À retenir

Une combustion est la réaction entre un combustible et le dioxygène, libérant de l'énergie thermique.
Combustion complète (excès d'O₂) : produits = CO₂ + H₂O. Flamme bleue.
Combustion incomplète (manque d'O₂) : produits = CO + C (suie) + H₂O. Flamme jaune. Danger : CO mortel.
L'équation de combustion doit être équilibrée (conservation de la matière).
Le CO₂ est un gaz à effet de serre responsable du réchauffement climatique.
On peut calculer la masse de CO₂ produite à partir de l'équation de combustion et des masses molaires.
Les moteurs thermiques convertissent l'énergie de combustion en énergie mécanique (rendement 25-40 %).

7. Erreurs fréquentes

Erreur 1 Confondre monoxyde de carbone (CO) et dioxyde de carbone (CO₂)

Le CO₂ est le produit d'une combustion complète : il est inoffensif en petites quantités mais contribue à l'effet de serre. Le CO est le produit d'une combustion incomplète : c'est un gaz mortel même en faible quantité. Ne jamais confondre ces deux molécules.

Erreur 2 Croire qu'une flamme jaune est "normale"

Une flamme jaune ou orangée signale une combustion incomplète et la production probable de monoxyde de carbone. Une flamme correctement réglée doit être bleue. Une flamme jaune est un signal d'alarme qui nécessite l'intervention immédiate d'un technicien chauffagiste.

Erreur 3 Ne pas équilibrer l'équation de combustion

Une équation chimique non équilibrée ne respecte pas la conservation de la matière et est scientifiquement incorrecte. On doit toujours vérifier que le nombre d'atomes de chaque élément (C, H, O) est identique de chaque côté de la flèche.

Erreur 4 Utiliser le pouvoir calorifique sans connaître l'unité

Le pouvoir calorifique est souvent donné en MJ/kg ou en kWh/kg. Avant tout calcul, vérifier l'unité utilisée et convertir si nécessaire (1 kWh = 3,6 MJ). Utiliser des unités incohérentes conduit à un résultat faux d'un facteur 3 600.

Erreur 5 Penser que la combustion du bois est neutre en CO₂ sans condition

La combustion du bois est considérée comme neutre en CO₂ uniquement si la forêt est gérée durablement (les arbres replantés recaptent le CO₂ libéré). Une combustion incomplète du bois produit en plus du CO et des particules fines, qui sont nocives pour la santé et l'environnement.

Simulation interactive

Combustion du carbone et des hydrocarbures