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Énergie chimique : combustions et piles
L’énergie chimique stockée dans les espèces chimiques et les transformations qui la libèrent ; la combustion et la pile, convertisseurs d’énergie chimique, dans une chaîne énergétique ; accumulateurs et pile à combustible ; combustibles et dioxyde de carbone.
Approfondissement Ce chapitre va au-delà du programme officiel de 3ᵉ : utile pour aller plus loin ou anticiper.
À propos de cette page
L’énergie chimique et les transformations qui la libèrent
En 5e, tu as vu que l’énergie existe sous plusieurs formes, dont l’énergie chimique, et qu’on la représente dans une chaîne énergétique (Énergie : formes, conversions et chaînes énergétiques (5e)). En 3e, on regarde d’où vient cette énergie chimique et comment une transformation chimique la libère.
• Au cours d’une transformation chimique, les réactifs disparaissent et des produits se forment. Les produits stockent en général moins d’énergie chimique que les réactifs : la différence est libérée vers l’extérieur.
• Cette énergie est libérée sous forme thermique (le mélange ou l’objet chauffe), lumineuse (une flamme, une lueur) ou électrique (dans une pile) ; souvent sous plusieurs formes à la fois.
• L’énergie se conserve : elle n’est ni créée ni détruite, elle est convertie. Ce que la transformation libère, les espèces chimiques l’ont perdu.
• Quelques transformations font l’inverse : elles absorbent de l’énergie et la stockent sous forme chimique. La photosynthèse stocke de l’énergie lumineuse dans le glucose ; la recharge d’une batterie stocke sous forme chimique l’énergie électrique reçue du chargeur.
| Transformation chimique | Énergie chimique stockée dans… | Énergie libérée surtout sous forme… |
|---|---|---|
| un gaz qui brûle dans une lampe de camping | le gaz et le dioxygène de l’air | lumineuse et thermique |
| la poudre d’un plat auto-chauffant mouillée d’eau salée | la poudre de magnésium et l’eau | thermique |
| la transformation qui a lieu dans une pile branchée | les réactifs de la pile | électrique |
| la respiration de nos cellules | le glucose et le dioxygène | thermique (et énergie pour les cellules) |
Un plat auto-chauffant de randonnée contient une poudre de magnésium et de fer. On y verse un peu d’eau salée : le magnésium réagit avec l’eau, il se forme de nouvelles espèces (dont du dihydrogène, un gaz) et l’eau se met à bouillir ; en une dizaine de minutes, le plat est chaud. L’énergie chimique du magnésium et de l’eau est libérée sous forme thermique : elle réchauffe le plat, sans flamme.
La respiration de nos cellules est une transformation chimique lente : glucose + dioxygène → dioxyde de carbone + eau. Elle libère l’énergie chimique des aliments, qui fait fonctionner les cellules et garde notre corps vers 37 °C. Lente ne veut pas dire « sans énergie ».
Une feuille au soleil fait l’inverse : par la photosynthèse, elle fabrique du glucose et stocke de l’énergie lumineuse sous forme d’énergie chimique. C’est cette énergie que libèrent ensuite les animaux qui mangent la plante, ou le bois qui brûle.
Réflexe — je repère où l’énergie chimique est stockée (les réactifs), puis la forme de l’énergie libérée d’après ses effets : ça chauffe → thermique ; ça éclaire → lumineuse ; un courant circule → électrique.
Attention — l’énergie libérée ne sort pas de rien : elle était stockée dans les réactifs. Et une transformation qui a besoin d’une allumette pour démarrer peut quand même libérer beaucoup d’énergie : l’allumette ne fait que l’amorcer.
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La combustion : un convertisseur d’énergie chimique
En 4e, tu as étudié les combustions : un combustible réagit avec le dioxygène et il se forme du dioxyde de carbone et de l’eau (Combustions : carbone, méthane, butane (4e)). Ici, on regarde ce que devient l’énergie.
• Dans la chaîne énergétique d’un appareil à combustion, le réservoir est le combustible (le dioxygène vient de l’air) ; le convertisseur est l’appareil où a lieu la combustion ; on représente l’énergie utile et l’énergie dissipée.
• Chaudière, poêle, réchaud : l’énergie utile est thermique (chauffer l’eau, l’air, un plat) ; une partie s’échappe avec les fumées chaudes.
• Moteur thermique (voiture, moto, bateau, avion) : la combustion du carburant met en mouvement des pièces ; l’énergie utile est cinétique. Une grande partie de l’énergie chimique est dissipée sous forme thermique : le moteur et les gaz d’échappement sont chauds.
• Centrale thermique (charbon, gaz, fioul) : chaudière → turbine → alternateur ; l’énergie chimique devient thermique, puis cinétique, puis électrique.
Une locomotive à vapeur. Le charbon brûle dans le foyer : son énergie chimique est convertie en énergie thermique, qui fait bouillir l’eau de la chaudière. La vapeur pousse les pistons, qui font tourner les roues. Chaîne : charbon → (énergie chimique) → foyer et chaudière → (énergie thermique) → pistons → (énergie cinétique) → roues. Deux convertisseurs se suivent, et seul le premier fait une transformation chimique.
Le torréfacteur au gaz d’un artisan grille des grains de café. Réservoir : la bouteille de propane. La combustion fournit de l’énergie thermique utile (aux grains) et de l’énergie lumineuse (la flamme), et chauffe aussi l’atelier (énergie dissipée).
Réflexe — dans la chaîne d’un appareil à combustion : le réservoir est le combustible ; la combustion convertit l’énergie chimique en énergie thermique ; je cherche ensuite si d’autres convertisseurs la changent en énergie cinétique ou électrique.
Attention — la flamme n’est pas un réservoir d’énergie : c’est le combustible qui stocke l’énergie chimique. Et dans un moteur, l’énergie thermique n’est pas « perdue » : elle est dissipée dans l’environnement, l’énergie se conserve.
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La pile : de l’énergie chimique à l’énergie électrique
• Une pile contient toujours deux électrodes de nature différente (deux métaux, ou un métal et du carbone) et un électrolyte : une solution ou une pâte qui contient des ions et conduit le courant.
• La tension d’une pile dépend de la nature des électrodes et de l’électrolyte, pas de sa taille. Sa taille (la quantité de réactifs) fixe la quantité d’énergie stockée, donc sa durée de fonctionnement.
• Une pile est usée quand l’un de ses réactifs est épuisé : la transformation chimique s’arrête, la pile ne fournit plus d’énergie électrique.
• Dans la chaîne énergétique d’un appareil à piles, les piles sont le réservoir (ovale) ; elles fournissent de l’énergie électrique à l’appareil.
• Repère : Alessandro Volta décrit la première pile en 1800 : un empilement de disques de deux métaux (zinc et cuivre ou argent) séparés par du carton imbibé d’eau salée — d’où le mot « pile ».
| Pile | Tension | Taille |
|---|---|---|
| pile alcaline LR03 (« AAA ») | 1,5 V | petite |
| pile alcaline LR6 (« AA ») | 1,5 V | moyenne |
| pile alcaline LR20 (« D ») | 1,5 V | grosse |
| pile bouton au lithium CR2032 | 3 V | très plate |
La pile au citron. Une lame de zinc et une lame de cuivre plantées dans un citron forment une pile : le jus de citron, qui contient des ions, est l’électrolyte. Un voltmètre indique environ 0,9 V. Avec deux lames de zinc, il n’indique rien : il faut deux électrodes différentes. Le zinc est peu à peu consommé.
LR6 ou LR20 ? Les deux sont des piles alcalines de 1,5 V : même nature, même tension. La LR20, bien plus grosse, contient plus de réactifs : dans un même appareil, elle fonctionne plus longtemps.
La lampe de poche (figure ci-dessus) : les piles convertissent leur énergie chimique en énergie électrique, transférée à la DEL ; la DEL fournit de l’énergie lumineuse utile et dissipe un peu d’énergie thermique.
Réflexe — pour une pile : réactifs → énergie chimique ; transformation dans la pile → énergie électrique ; tension = nature des électrodes ; durée = quantité de réactifs ; pile usée = un réactif épuisé.
Attention — une pile ne « contient pas de l’électricité » : elle stocke de l’énergie chimique et ne fournit de l’énergie électrique que pendant que la transformation a lieu. Une grosse pile n’a pas une tension plus grande qu’une petite de même nature.
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Accumulateurs et pile à combustible : stocker l’énergie
• En décharge (on utilise l’appareil) : énergie chimique → énergie électrique. En charge (on le branche sur le chargeur) : le courant force la transformation inverse, les réactifs se reforment et l’énergie électrique est stockée sous forme chimique.
• Bilan d’énergie (conservation) : en charge, énergie électrique reçue = énergie chimique stockée + énergie thermique dissipée ; en décharge, énergie chimique libérée = énergie électrique fournie + énergie thermique dissipée.
• Exemples : l’accumulateur lithium-ion (téléphone, ordinateur, voiture électrique) ; l’accumulateur au plomb (batterie de démarrage d’une voiture : six éléments d’environ 2 V, soit 12 V), inventé par Gaston Planté en 1859.
• Une pile à combustible convertit directement l’énergie chimique du dihydrogène et du dioxygène de l’air en énergie électrique, tant qu’on l’alimente : dihydrogène + dioxygène → eau. Son réservoir est le réservoir de dihydrogène.
• Piles et accumulateurs contiennent des métaux (zinc, manganèse, lithium, cobalt, nickel, plomb…) : on les dépose dans un point de collecte pour qu’ils soient recyclés, jamais à la poubelle.
| Énergie reçue | Énergie fournie ou stockée | Énergie dissipée | |
|---|---|---|---|
| accumulateur en charge | électrique (chargeur) | chimique, stockée | thermique (il tiédit) |
| accumulateur en décharge | chimique (ses réactifs) | électrique, fournie à l’appareil | thermique |
| pile à combustible | chimique (dihydrogène et dioxygène) | électrique | thermique |
Un téléphone en charge. Le chargeur fournit 50 kJ d’énergie électrique à la batterie, qui en stocke 45 kJ sous forme chimique. Énergie dissipée : 50 − 45 = 5 kJ, sous forme thermique (la batterie tiédit). Vérification : 45 + 5 = 50 kJ, rien n’a disparu.
Une voiture à pile à combustible roule avec un moteur électrique alimenté par une pile à combustible. Chaîne : réservoir de dihydrogène → (énergie chimique) → pile à combustible → (énergie électrique) → moteur → (énergie cinétique) → roues. Au pot d’échappement, elle ne rejette que de l’eau.
Pile ou accumulateur ? Une pile alcaline ordinaire ne se recharge pas : sa transformation ne peut pas être inversée, et la mettre dans un chargeur peut la faire fuir ou éclater.
Réflexe — charge → électrique vers chimique (stockée) ; décharge → chimique vers électrique ; pour un bilan : énergie reçue = énergie stockée (ou fournie) + énergie dissipée.
Attention — une batterie chargée stocke de l’énergie chimique, pas de l’énergie électrique. Et le dihydrogène n’est presque pas puisé dans la nature : il faut le fabriquer (aujourd’hui surtout à partir de gaz naturel), ce qui consomme de l’énergie.
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Combustibles et dioxyde de carbone
• Chaque atome de carbone du combustible se retrouve dans une molécule de CO₂ ; les atomes d’oxygène viennent du dioxygène de l’air. C’est pourquoi la masse de CO₂ rejetée est plus grande que la masse de combustible brûlée.
• L’équation de la réaction fixe les proportions : CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. En masse, 16 g de méthane brûlés donnent 44 g de CO₂ ; les masses sont proportionnelles.
• Ne rejettent pas de CO₂ pendant leur utilisation : une pile, un accumulateur, une pile à combustible ou une combustion du dihydrogène (2 H₂ + O₂ → 2 H₂O : ni carbone, ni CO₂). Mais leur fabrication (des piles, de l’électricité qui recharge, du dihydrogène) a pu en rejeter : en 2023, moins de 1 % du dihydrogène produit dans le monde l’était par des procédés à faibles émissions (Agence internationale de l’énergie).
• Les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) libèrent du carbone stocké sous terre depuis des millions d’années : ils augmentent la quantité de CO₂ de l’air. Le bois ou un biocarburant rejettent du carbone que la plante avait capté peu avant ; si l’on replante, le bilan est proche de zéro, mais pas nul (couper, transporter, transformer consomme aussi de l’énergie).
Avec l’équation. 16 g de méthane donnent 44 g de CO₂. Pour 80 g de méthane, 5 fois plus : et g de CO₂.
Avec le carbone seul (C + O₂ → CO₂) : 12 g de carbone donnent 44 g de CO₂. Pour 3 kg de carbone : kg de CO₂, presque quatre fois la masse brûlée.
Trois voitures. Une voiture à essence rejette du CO₂ par son pot d’échappement ; une voiture électrique à batterie et une voiture à pile à combustible n’en rejettent pas en roulant. Leur bilan dépend de la façon dont on a produit l’électricité ou le dihydrogène.
Réflexe — je regarde la formule du combustible : du carbone (C) → du CO₂ ; pas de carbone (H₂) → pas de CO₂. Pour une masse de CO₂, j’utilise la proportionnalité donnée par l’équation.
Attention — trouver plus de CO₂ que de combustible n’est pas une erreur : l’oxygène du CO₂ vient de l’air. Et « zéro émission au pot d’échappement » ne veut pas dire « zéro émission » sur toute la chaîne.
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Pour aller plus loin
Revoir. Le triangle du feu, les produits d’une combustion, leurs tests et le danger du monoxyde de carbone : Combustions : carbone, méthane, butane (4e). Les formes d’énergie, l’énergie utile et dissipée, le joule et le rendement : Énergie : formes, conversions et chaînes énergétiques (5e).
Dans les autres chapitres de 3e. L’effet de serre, le cycle du carbone et les polluants des combustions : Chimie et environnement : pollution, effet de serre, chimie verte. La chaîne complète d’une centrale thermique et son rendement : Électricité : produire dans une centrale. L’énergie consommée par un appareil électrique, E = P × t, en kilowattheures : Énergie électrique : E = P × t et kilowattheure. Les ions de l’électrolyte : Ions : cations, anions et tests d’identification.
Pour aller plus loin — dans une pile zinc-cuivre. Une lame de zinc plonge dans une solution d’ions zinc, une lame de cuivre dans une solution d’ions cuivre Cu²⁺ (bleue). Le zinc cède des électrons et passe en solution sous forme d’ions Zn²⁺ : c’est la borne −. Ces électrons traversent le circuit, et des ions Cu²⁺ les captent à la borne + en se déposant en cuivre. La lame de zinc s’amincit, la solution bleue pâlit. Ce transfert d’électrons s’appelle une oxydoréduction : Réactions d’oxydoréduction.
Pour aller plus loin — les combustibles. Les formules des combustibles (alcanes comme le méthane ou le butane, alcools comme l’éthanol) et l’écriture de leurs combustions : Chimie organique : alcanes, alcools et leurs combustions.
Se verra au lycée. En 2de, on appelle exothermique une transformation qui libère de l’énergie thermique (la température monte) et endothermique une transformation qui en absorbe (la température baisse). En 1re, on compare les combustibles par l’énergie libérée par kilogramme brûlé, leur pouvoir calorifique.
- L’énergie chimique est stockée dans les espèces chimiques ; une transformation chimique peut la libérer sous forme thermique, lumineuse ou électrique. L’énergie se conserve : elle est convertie.
- Une combustion convertit l’énergie chimique d’un combustible en énergie thermique (et lumineuse) ; dans la chaîne énergétique, le combustible est le réservoir, l’appareil le convertisseur, avec énergie utile et énergie dissipée.
- Une pile (deux électrodes différentes et un électrolyte) convertit l’énergie chimique de ses réactifs en énergie électrique ; sa tension dépend de sa nature, sa durée de sa quantité de réactifs ; elle est usée quand un réactif est épuisé.
- Un accumulateur se recharge : en charge, énergie électrique → énergie chimique stockée ; en décharge, l’inverse. Une pile à combustible convertit l’énergie chimique du dihydrogène en énergie électrique et ne rejette que de l’eau.
- Brûler un combustible carboné rejette du CO₂, en masse proportionnelle à la masse brûlée (16 g de méthane → 44 g de CO₂) ; pile, accumulateur et dihydrogène n’en rejettent pas à l’usage, mais leur fabrication peut en rejeter.
Questions fréquentes
Qu’est-ce que l’énergie chimique ?
C’est l’énergie stockée dans les espèces chimiques : un combustible, un aliment, les réactifs d’une pile. Une transformation chimique peut la libérer sous forme thermique (ça chauffe), lumineuse (ça éclaire) ou électrique (dans une pile), sans qu’aucune énergie ne soit créée : elle est convertie.
Comment représenter l’énergie d’une combustion ?
Par une chaîne énergétique : le combustible est le réservoir d’énergie chimique, l’appareil où a lieu la combustion est le convertisseur ; il fournit une énergie utile (thermique pour une chaudière, cinétique pour un moteur) et une énergie dissipée, surtout thermique.
Comment fonctionne une pile ?
Une pile contient deux électrodes de nature différente et un électrolyte. Quand elle est branchée dans un circuit fermé, une transformation chimique convertit l’énergie chimique de ses réactifs en énergie électrique. Sa tension dépend de la nature des électrodes ; elle est usée quand un réactif est épuisé.
Quelle différence entre une pile et un accumulateur ?
La transformation chimique d’un accumulateur est réversible : en charge, le courant du chargeur reforme les réactifs et l’énergie électrique est stockée sous forme chimique ; en décharge, l’énergie chimique redevient électrique. Une pile ordinaire ne se recharge pas.
Quels appareils rejettent du dioxyde de carbone ?
Tous ceux qui brûlent un combustible contenant du carbone : moteur à essence ou à gazole, chaudière au gaz ou au fioul, poêle à bois, centrale au charbon. Une pile, un accumulateur ou une pile à combustible au dihydrogène n’en rejettent pas à l’usage, mais la fabrication de l’électricité ou du dihydrogène a pu en rejeter.
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