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Combustions : énergie libérée et enjeux
Les combustibles usuels et la combustion modélisée par une oxydoréduction ; l’équation de la combustion complète d’un alcane et d’un alcool ; l’énergie molaire de combustion, l’énergie libérée et le pouvoir calorifique massique, estimé par l’expérience ; l’interprétation par les énergies de liaison en phase gazeuse ; les applications, les risques et les enjeux pour le climat.
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Sujet et corrigé prêts à imprimer.
Devoir surveillé – Combustions : énergie libérée et enjeux
Durée : 60 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Spe-physique-chimie 1ʳᵉ
Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.
Exercice 1 – Le méthanol, carburant de porte-conteneurs ★★
(5 pts)Mis en service en 2023, le Laura Maersk est le premier porte-conteneurs dont les moteurs peuvent fonctionner au méthanol CH₄O, un alcool qui peut être fabriqué à partir de biomasse. Ses deux réservoirs contiennent 1 400 m³ de méthanol.
Données : M(CH₄O) = 32,0 g·mol⁻¹ ; masse volumique du méthanol : 0,792 kg·L⁻¹ ; énergie molaire de combustion du méthanol : −638 kJ·mol⁻¹ ; couples CO₂/CH₄O : CO₂ + 6 H⁺ + 6 e⁻ = CH₄O + H₂O, et O₂/H₂O : O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ = 2 H₂O.
- a)Identifier l’oxydant et le réducteur de la combustion, en justifiant à l’aide des électrons échangés.
- b)Combiner les deux demi-équations pour établir l’équation de la combustion complète du méthanol, avec les plus petits nombres entiers.
- c)Calculer les quantités de dioxygène consommé et de dioxyde de carbone formé par la combustion complète de 0,150 mol de méthanol.
- d)Calculer l’énergie libérée par la combustion complète des 1 400 m³ de méthanol des réservoirs.
- e)Si l’air manque, le méthanol forme du monoxyde de carbone et de l’eau. Écrire l’équation correspondante et expliquer le danger de ce gaz.
Exercice 2 – Combustion du pentane ★★
(5 pts)Énergies de liaison (kJ·mol⁻¹) : C–H 413 ; C–C 348 ; O=O 498 ; C=O (dans CO₂) 804 ; O–H 463. Toutes les espèces sont supposées gazeuses. M(C₅H₁₂) = 72,0 g·mol⁻¹.
- a)Écrire l’équation de la combustion complète d’une mole de pentane C₅H₁₂.
- b)Faire le bilan des liaisons rompues et des liaisons formées.
- c)Estimer l’énergie molaire de combustion du pentane.
- d)Calculer l’énergie libérée par la combustion de 25,0 g de pentane.
- e)La valeur des tables est −3 272 kJ·mol⁻¹. Calculer l’écart relatif, puis expliquer pourquoi l’estimation n’est qu’approchée.
Exercice 3 – Le pouvoir calorifique d’une bougie ★★★
(5 pts)Pour estimer le pouvoir calorifique de la paraffine, on place 150 g d’eau dans une canette en aluminium au-dessus d’une bougie. La masse de la bougie diminue de 0,75 g pendant que la température de l’eau passe de 18,0 °C à 48,0 °C. Énergie reçue par l’eau : Q = m × c × Δθ, avec c = 4,18 J·g⁻¹·°C⁻¹. Pouvoir calorifique de la paraffine dans les tables : 42 MJ·kg⁻¹.
- a)Calculer l’énergie reçue par l’eau.
- b)En déduire une estimation du pouvoir calorifique de la paraffine, en MJ·kg⁻¹.
- c)Quelle part de la valeur des tables cette mesure représente-t-elle ?
- d)Un dépôt noir apparaît sous la canette. L’interpréter, puis citer une autre cause de l’écart.
- e)Proposer deux modifications du protocole pour réduire l’écart.
Exercice 4 – Chauffer un gîte : propane ou granulés de bois ? ★★★
(5 pts)Un gîte consomme 9 000 kWh par an pour son chauffage. Option A : une chaudière au propane C₃H₈ (M = 44,0 g·mol⁻¹, Ecomb = −2 044 kJ·mol⁻¹). Option B : un poêle à granulés de bois, de pouvoir calorifique 4,6 kWh·kg⁻¹ (valeur minimale du label ENplus A1). On suppose que toute l’énergie libérée sert au chauffage.
Données : M(CO₂) = 44,0 g·mol⁻¹ ; 1 kWh = 3,6 MJ.
- a)Exprimer l’énergie annuelle en kilojoules.
- b)Option A : calculer la quantité puis la masse de propane brûlées en un an.
- c)Option A : calculer la masse de dioxyde de carbone rejetée en un an.
- d)Option B : calculer la masse de granulés brûlés en un an.
- e)La combustion du bois rejette aussi du CO₂. Expliquer pourquoi l’option B est tout de même considérée comme moins émettrice, et citer une limite.
Bon courage !
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Voir le corrigé et le barème
Corrigé et barème – Combustions : énergie libérée et enjeux
Durée : 60 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Spe-physique-chimie 1ʳᵉ
Exercice 1 – Le méthanol, carburant de porte-conteneurs ★★
(5 pts)- a)Le méthanol cède des électrons (CH₄O + H₂O = CO₂ + 6 H⁺ + 6 e⁻) : c’est le réducteur. Le dioxygène capte des électrons : c’est l’oxydant. (1)
- b)Il faut échanger 12 électrons : demi-équation du méthanol × 2, celle du dioxygène × 3.
2 CH₄O + 2 H₂O + 3 O₂ + 12 H⁺ + 12 e⁻ → 2 CO₂ + 12 H⁺ + 12 e⁻ + 6 H₂O, soit après simplification : 2 CH₄O + 3 O₂ → 2 CO₂ + 4 H₂O (O : 2 + 6 = 8 = 4 + 4). (1) - c)n(O₂) = 3 ÷ 2 × 0,150 = 0,225 mol ; n(CO₂) = n(CH₄O) = 0,150 mol. (1)
- d)m = 1 400 000 L × 0,792 kg·L⁻¹ = 1 108 800 kg = 1,1088 × 10⁹ g.
n = 1,1088 × 10⁹ ÷ 32,0 = 3,465 × 10⁷ mol.
Q = 3,465 × 10⁷ × 638 ≈ 2,21 × 10¹⁰ kJ, soit environ 2,21 × 10⁷ MJ. (1) - e)CH₄O + O₂ → CO + 2 H₂O (O : 1 + 2 = 3 = 1 + 2). Le monoxyde de carbone est toxique, incolore et inodore : on ne le perçoit pas, et il se fixe sur l’hémoglobine à la place du dioxygène. (1)
Méthode — Pour combiner deux demi-équations : même nombre d’électrons des deux côtés, puis simplifier H⁺, e⁻ et H₂O.
Exercice 2 – Combustion du pentane ★★
(5 pts)- a)C₅H₁₂ + 8 O₂ → 5 CO₂ + 6 H₂O (O : 16 = 10 + 6). (1)
- b)Rompues : 4 C–C, 12 C–H et 8 O=O. Formées : 10 C=O (5 CO₂) et 12 O–H (6 H₂O). (1)
- c)Σ rompues = 4 × 348 + 12 × 413 + 8 × 498 = 10 332 kJ ; Σ formées = 10 × 804 + 12 × 463 = 13 596 kJ ; E ≈ 10 332 − 13 596 = −3 264 kJ·mol⁻¹. (1)
- d)n = 25,0 ÷ 72,0 ≈ 0,3472 mol ; Q ≈ 0,3472 × 3 264 ≈ 1,13 × 10³ kJ libérés. (1)
- e)Écart relatif : (3 272 − 3 264) ÷ 3 272 ≈ 0,0024, soit 0,24 %. Les énergies de liaison sont des valeurs moyennes, et le modèle suppose toutes les espèces gazeuses. (1)
Erreur fréquente — Oublier que le nombre de O=O rompues est le nombre stœchiométrique du dioxygène, et que chaque CO₂ compte deux liaisons C=O.
Exercice 3 – Le pouvoir calorifique d’une bougie ★★★
(5 pts)- a)Δθ = 48,0 − 18,0 = 30,0 °C ; Q = 150 × 4,18 × 30,0 = 18 810 J ≈ 18,8 kJ. (1)
- b)PC ≈ 18,81 ÷ 0,75 ≈ 25,1 kJ·g⁻¹, soit 25,1 MJ·kg⁻¹. (1)
- c)25,1 ÷ 42 ≈ 0,60 : environ 60 % de la valeur des tables. (1)
- d)Le dépôt noir est de la suie (carbone) : la combustion est en partie incomplète et libère moins d’énergie. Autre cause : les pertes thermiques, une partie de l’énergie chauffant l’air, la canette et le support. (1)
- e)Par exemple : entourer la bougie et la canette d’un écran contre les courants d’air ; couvrir la canette ; régler la hauteur pour que la flamme touche la canette sans fumer ; agiter l’eau pour une température homogène. (1)
Repère — Une mesure de pouvoir calorifique donne toujours une valeur trop faible : l’eau ne reçoit qu’une partie de l’énergie libérée.
Exercice 4 – Chauffer un gîte : propane ou granulés de bois ? ★★★
(5 pts)- a)9 000 × 3,6 = 32 400 MJ, soit 3,24 × 10⁷ kJ. (1)
- b)n = 32 400 000 ÷ 2 044 ≈ 1,585 × 10⁴ mol ; m ≈ 15 851 × 44,0 ≈ 6,97 × 10⁵ g, soit environ 697 kg. (1)
- c)C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O : n(CO₂) = 3 n ≈ 47 554 mol ; m ≈ 47 554 × 44,0 ≈ 2 092 000 g, soit environ 2,09 t. (1)
- d)m = 9 000 ÷ 4,6 ≈ 1 957 kg, soit près de 2 t de granulés. (1)
- e)Le carbone du bois a été capté dans l’atmosphère par photosynthèse pendant la croissance de l’arbre : le brûler le rend à l’air sans ajouter de carbone fossile, si la forêt est replantée. Limites : fabrication et transport des granulés, temps de repousse des arbres, émissions de particules fines par les poêles. (1)
Le point clé — Deux combustibles se comparent pour une même énergie : la masse brûlée dépend du pouvoir calorifique, l’effet sur le climat de l’origine du carbone.
Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).
Ce contrôle de spe-physique-chimie 1ʳᵉ en bref
Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Combustions : énergie libérée et enjeux » : 4 exercices, 60 minutes, noté sur 20. Le sujet et le corrigé sont téléchargeables en PDF, prêts à imprimer, pour travailler comme en classe.
- Exercice 1 — Le méthanol, carburant de porte-conteneurs ★★/ 5 pts
- Exercice 2 — Combustion du pentane ★★/ 5 pts
- Exercice 3 — Le pouvoir calorifique d’une bougie ★★★/ 5 pts
- Exercice 4 — Chauffer un gîte : propane ou granulés de bois ? ★★★/ 5 pts
Pour préparer ce contrôle
- Relire le cours et la fiche de révision.
- Refaire les exercices corrigés.
- Se tester avec le QCM (36 questions).
- Faire ce sujet en conditions réelles — 60 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.
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Questions fréquentes sur ce sujet
- Combien de temps dure ce contrôle sur « Combustions : énergie libérée et enjeux » ?
- 60 minutes pour 4 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
- Le corrigé est-il fourni ?
- Oui : le corrigé complet est fourni en PDF (bouton « Télécharger le corrigé »), avec le barème exercice par exercice.
- Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
- Oui : c'est un devoir surveillé complet de 60 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
- Ce sujet suit-il le programme de spe-physique-chimie de première ?
- Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Combustions : énergie libérée et enjeux » du programme officiel de spe-physique-chimie en première.
Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.
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