Réaction de combustion

Qu'est-ce que la combustion ?

Beaucoup d'entre nous ont apprécié la joie de se tenir autour d'un feu de camp par une froide soirée d'hiver, peut-être en grillant des guimauves ou en sirotant un chocolat chaud. En fait, le feu n'est pas un secret - il est utilisé par nos ancêtres depuis plus d'un million d'années ! Les flammes que tu vois sont le résultat visible d'une réaction de combustion.

Les réactions de combustion ont de multiples usages différents dans la vie quotidienne, grâce à l'énergie thermique qu'elles dégagent. Par exemple, nous utilisons les réactions de combustion pour :

• Chauffer nos maisons.
• Cuire nos aliments.
• Alimenter nos gadgets.
• Faire fonctionner nos usines et nos centrales électriques.
• Produire de l'électricité.

En fait, il est difficile de penser à une partie de notre existence moderne qui ne repose pas sur la combustion d'une manière ou d'une autre !

Types de combustion

Il existe deux types différents de réactions de combustion :

• La combustion complète.
• La combustion incomplète.

Elles varient dans leurs conditions, leurs produits et les quantités relatives d'énergie qu'elles libèrent. Examinons-les brièvement.

Combustion complète

Dans la combustion complète, un combustible est brûlé en excès d'oxygène. Nous utilisons généralement des hydrocarbures comme combustible. En brûlant un hydrocarbure de cette manière, on oxyde ses atomes de carbone et d'hydrogène, ce qui produit du dioxyde de carbone et de l'eau. Le plus important est peut-être que la combustion complète libère également beaucoup d'énergie thermique dans l'environnement.

L'équation de la combustion complète du méthane est donnée ci-dessous :

$$ CH_{4(g)}+ 2O_{2(g)} \rightarrow CO_{2(g)} + 2H_2O_{(g)} $$

L'enthalpie standard de cette réaction :

\( \Delta H_{comb}^{o} = -805.8 \ kJ/mol \)

Note le changement d'enthalpie négatif. Cela montre que la réaction est exothermique.

Combustion incomplète

Dans le cas d'une combustion incomplète, le combustible est brûlé dans un environnement limité en oxygène. Cela signifie qu'il n'y a pas assez d'oxygène pour oxyder complètement tous les atomes de carbone du combustible en dioxyde de carbone. Au lieu de cela, ils sont partiellement oxydés en monoxyde de carbone. Si l'oxygène est vraiment limité, les atomes de carbone ne sont pas du tout oxydés, mais libérés sous forme de carbone pur, sous forme de suie. Bien qu'elle soit toujours exothermique, la combustion incomplète est beaucoup moins efficace que la combustion complète et libère donc moins d'énergie.

Examine les deux équations suivantes pour la combustion incomplète du méthane :

La combustion incomplète du méthane produit du carbone ou du monoxyde de carbone et de l'eau.

Équations possibles de la réaction :

\( CH_{4(g)} +O_{2(g)} \rightarrow C_{(s)}+ 2H_2O_{(l)} \)

ou

\( CH_{4(g)} + \frac{3}{2} O_{2(g)} \rightarrow CO_{(g)} ++2H_2O_{(l)} \)

Compare-les à l'équation que nous avons donnée précédemment pour la combustion complète du méthane.

• La combustion complète nécessite plus d'oxygène que la combustion incomplète. Ici, la combustion complète nécessite au moins deux moles d'oxygène pour chaque mole de méthane, alors que la combustion incomplète n'en nécessite qu'une seule.
• La combustion complète libère plus d'énergie que la combustion incomplète.

Combustion lente

Ce type de réaction se produit en fait à l'intérieur de notre corps. La respiration cellulaire est une réaction de combustion lente ; la respiration cellulaire implique la combustion du glucose. Comme pour les autres réactions de combustion, le glucose a besoin d'oxygène pour brûler, et les produits sont le dioxyde de carbone et l'eau. De l'énergie est également libérée lors de la respiration cellulaire.

$$ C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + énergie $$

Réaction de combustion : Formule

Tu es prêt à apprendre à écrire des formules pour des réactions de combustion ? Essayons. Mais d'abord, une petite remarque : tout au long de ta formation de chimiste, on t'a probablement dit de toujours écrire des équations avec des nombres entiers. Les équations de combustion sont une exception à cette règle. Ici, la réaction d'une demi-mole de molécules d'oxygène est parfaitement acceptable.

Voici comment écrire et équilibrer des équations pour la combustion (complète) d'hydrocarbures :

1. Rédige une équation non équilibrée, en te rappelant que les produits seront du dioxyde de carbone et de l'eau. Tu dois également te rappeler que les équations de combustion utilisent une seule mole de combustible, mais que le nombre de moles de dioxyde de carbone, d'eau et d'oxygène peut varier.
2. Pour équilibrer ton équation, concentre-toi d'abord sur le carbone. Compte le nombre d'atomes de carbone dans ton combustible et équilibre l'équation en ajoutant des moles supplémentaires de dioxyde de carbone du côté droit.
3. Ensuite, intéresse-toi à l'hydrogène. Compte le nombre d'atomes d'hydrogène dans ton carburant et équilibre l'équation en ajoutant des moles supplémentaires d'eau dans la partie droite.
4. Enfin, vérifie l'oxygène. Compte le nombre d'atomes d'oxygène dans le dioxyde de carbone et l'eau, et équilibre l'équation en ajoutant des moles supplémentaires d'oxygène dans la partie gauche.

Les impacts sur l'environnement de la combustion

Comme nous l'avons mentionné au début de ce résumé de cours, les réactions de combustion jouent un rôle important dans notre vie. En particulier, nous dépendons de combustibles fabriqués à partir d'hydrocarbures, tels que le charbon, le gaz et les dérivés du pétrole brut. Par exemple, ta voiture roule probablement à l'essence ou au diesel, tous deux dérivés du pétrole brut, et ta maison est peut-être chauffée par une chaudière à gaz. Cependant, la pression exercée sur les gouvernements, les entreprises et les consommateurs pour qu'ils abandonnent les hydrocarbures et se tournent vers les sources d'énergie renouvelables ne cesse de croître. Cela est dû en partie aux produits des réactions de combustion des hydrocarbures et à leurs impacts négatifs sur l'environnement. Nous allons maintenant les explorer.

Dioxyde de carbone

Comme nous l'avons appris précédemment, la combustion complète des hydrocarbures libère du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone peut être un problème en raison de son statut de puissant gaz à effet de serre.

En piégeant la chaleur solaire, les gaz à effet de serre réchauffent la planète et contribuent au réchauffement climatique. La tendance est claire : depuis le début de la révolution industrielle, lorsque nous avons commencé à brûler des hydrocarbures à grande échelle (et donc à augmenter rapidement les niveaux de particules de dioxyde de carbone dans l'atmosphère), les températures moyennes de la planète ont grimpé en flèche. Actuellement, notre planète est environ \( 1,1 °C \) plus chaude qu'en 1880, date du début des relevés de température . L'augmentation de la température s'est accompagnée d'un nombre croissant de cas de conditions météorologiques extrêmes, de mauvaises récoltes et d'extinctions massives. Bien sûr, la corrélation entre l'augmentation des niveaux de \( CO_2 \) et la température pourrait n'être qu'une énorme coïncidence, mais les preuves montrent de plus en plus le contraire.

Monoxyde de carbone et particules de carbone

Contrairement à la combustion complète, la combustion incomplète ne produit pas de dioxyde de carbone. En revanche, elle libère du monoxyde de carbone et du carbone pur à la place. Ces produits ne sont pas beaucoup mieux que leur cousin à effet de serre !

Fig.2- Un diagramme de l'effet de serre.

Par exemple, le monoxyde de carbone est très toxique pour les humains et les animaux. Il est également inodore et incolore, ce qui le rend difficile à détecter et donc encore plus mortel. Les particules de carbone provenant de la suie, quant à elles, peuvent provoquer des irritations respiratoires, certains cancers et un assombrissement de la planète. Tu n'as pas envie de respirer l'une de ces substances !

Dioxyde de soufre

Malheureusement, les produits à base de carbone et l'eau ne sont pas les seuls produits de la combustion. En effet, nos combustibles sont généralement impurs - ils sont truffés de contaminants. Ces impuretés sont ensuite libérées dans l'atmosphère lorsque les combustibles sont brûlés. L'une de ces impuretés courantes est le soufre, qui brûle pour produire du dioxyde de soufre. Le dioxyde de soufre réagit ensuite avec l'oxygène et l'eau présents dans l'air pour former des pluies acides - une substance corrosive qui endommage les bâtiments, les statues, les habitats et la vie végétale.

Oxydes d'azote

L'oxyde nitreux ou l'oxyde d'azote est un autre polluant produit par les réactions de combustion. Il se forme parce que certains combustibles, tels que ceux utilisés dans les moteurs à combustion, nécessitent des températures élevées pour brûler efficacement. Ces températures élevées font réagir l'azote et l'oxygène de l'air pour produire des oxydes nitreux. Comme le dioxyde de soufre, les oxydes nitreux peuvent former des pluies acides. Ils provoquent également des difficultés respiratoires et de la fumée photochimique.

Limiter les effets de la combustion

Réchauffement de la planète, pluies acides, fumées - après avoir examiné les effets négatifs de la combustion de carburants tels que les hydrocarbures, tu te demandes peut-être pourquoi nous n'arrêtons pas complètement ces réactions de combustion. Eh bien, il s'agit de peser le pour et le contre. Les hydrocarbures sont non seulement abondants et faciles à obtenir, mais ils libèrent également beaucoup d'énergie lorsqu'ils sont brûlés. C'est pourquoi ils constituent d'excellents carburants et il n'est pas facile de s'en passer complètement. Cependant, les scientifiques ont travaillé dur pour trouver des moyens de réduire les effets de la combustion des hydrocarbures sur l'environnement. Ces moyens sont les suivants :

• La désulfuration des gaz de combustion.
• Les convertisseurs catalytiques.
• Les carburants alternatifs neutres en carbone.

Désulfuration des gaz de combustion

Le gaz de combustion est le gaz produit par la combustion du charbon dans les centrales électriques. Il contient du dioxyde de soufre en raison des impuretés présentes dans le combustible. Nous pouvons éliminer le soufre par la désulfuration des gaz de combustion, en faisant réagir les gaz de combustion avec de l'oxyde de calcium et de l'eau ou du carbonate de calcium et de l'oxygène. Cela forme du gypse, un produit commercialisable utilisé pour fabriquer des plaques de plâtre.

Par exemple :

$$ CaCO_{3(s)} + \frac{1}{2}O_{2(g)} + SO_{2(g)} \rightarrow CaSO_{4(s)} + CO_{2(g)} $$

Convertisseurs catalytiques

En 1993, la loi a imposé que toutes les voitures neuves du Royaume-Uni soient équipées de convertisseurs catalytiques sur leurs pots d'échappement. En effet, les convertisseurs catalytiques réduisent les quantités de monoxyde de carbone, d'oxydes d'azote et d'hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne des véhicules. Voici comment ils fonctionnent :

• Les convertisseurs catalytiques ont une forme en nid d'abeille pour maximiser leur surface.
• Ils sont recouverts de métaux platine et rhodium, qui agissent comme des catalyseurs. Ces métaux sont répartis en fines couches pour minimiser la quantité nécessaire.
• Lorsque les gaz d'échappement quittent le moteur, ils passent sur le convertisseur catalytique et réagissent pour former des produits moins nocifs :

- Le monoxyde de carbone \( (CO) \) réagit avec les oxydes nitreux \( (NO_x) \) pour produire de l'azote \( (N_2) \) et du dioxyde de carbone \( (CO_2) \) .

-Les hydrocarbures imbrûlés \( (C_xH_y) \) réagissent avec les oxydes nitreux pour produire de l'azote, du dioxyde de carbone \( (CO_2) \) et de l'eau \( (H_2O) \) .

Alternatives neutres en carbone

Comme tu le sais maintenant la combustion de combustibles fossiles tels que le charbon et le gaz entraînent une augmentation nette des niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Ce phénomène est fortement lié au réchauffement de la planète. Mais que se passerait-il si nous pouvions trouver un combustible qui ne produise aucune émission globale de carbone et ne réchauffe donc pas notre planète ? Eh bien, ces combustibles existent réellement ! On dit qu'ils sont neutres en carbone.

Les biocarburants et les carburants synthétiques sont des exemples de carburants neutres en carbone :

• Les biocarburants sont fabriqués à partir de la biomasse, comme la canne à sucre ou le bois. Ils poussent rapidement et tout le carbone qu'ils libèrent lors de la combustion a été absorbé au cours de leur vie. Cependant, les engrais, l'eau et les terres nécessaires à la production de biocarburants peuvent créer d'autres problèmes tels que des problèmes de sécurité alimentaire, de monoculture et de déforestation.
• Les carburants synthétiques sont des hydrocarbures artificiels. Ils sont fabriqués à partir de dioxyde de carbone capturé dans l'air et d'hydrogène produit par électrolyse.