L’écriture symbolique de la réaction chimique est l’équation chimique.

1^ère STI2D 6.0 – Energie chimique - cours

Energie I. Programme/aides

1. Eléments du programme (objectifs)

Notions et contenu Capacités exigibles / Activités expérimentales Transformation chimique d’un système et

conversion d’énergie associée ; effets thermiques associés.

- Identifier le système chimique.

- Identifier un effet thermique associé à la transformation chimique d’un système.

- Associer à une transformation chimique exothermique (endothermique) une diminution (augmentation) de l’énergie du système.

Un exemple de transformations exothermiques :

les combustions.

- Identifier, dans une réaction de combustion, le combustible et le comburant.

- Identifier l’apport d’énergie nécessaire pour initier une combustion et interpréter l’auto-entretien de celle-ci.

- Comparer les pouvoirs calorifiques de différents combustibles. - Mettre en œuvre une expérience pour déterminer le pouvoir calorifique d’un combustible.

- Citer les dangers liés aux combustions et les moyens de prévention et de protection associés.

2. Aides

3. Cours

a) Système chimique (1) Définition

Un système chimique est un ensemble d’espèces chimiques (entités) susceptibles de réagir entre elles.

Son état sera décrit en précisant :

La nature et la quantité de matière des espèces chimiques présentes ; L’état physique : solide (s), liquide (l), gazeux (g), en solution aqueuse (aq) La température T et la pression P du système

On appel transformation chimique, l’évolution d’un système chimique depuis un état initial Jusqu’à un état final, il y a modification de la composition du système (espèces chimiques

présentes).

Des réactifs sont consommés (« disparaissent ») et de nouvelles espèces se forment : le produits

(2) Représentation d'une transformation chimique On représente une transformation chimique par 2 cadres dans lesquels on inscrit:

- à gauche le système chimique avant réaction - à droite le système chimique après réaction

Entre les 2 cadres tracer une flèche du cadre gauche vers le cadre droit

Exemple : lors de la dissolution d’une pastille de soude (une mole) dans un litre d’eau, on peut représenter L’évolution du système chimique de la manière suivante :

ETAT INITIAL Système chimique initial

Nom des espèces, état et quantité Température et

Pression

ETAT FINAL Système chimique final Nom des espèces, état

et quantité Température et

Pression Transformation

Chimique

ETAT INITIAL Hydroxyde de sodium,

solide (1mole) Eau,liquide (1L) T= 20°C P= 1 bar

ETAT FINAL Ions sodium, solution (1

mole)

Ions hydroxyde, solution (1 mole)

Eau, liquide (1L) T= 29°C P= 1 bar Transformation

Chimique

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(3) La réaction chimique

(a) Definition de la réaction chimique

La transformation chimique d’un système est due à la réaction chimique qui transforme les réactifs en produits.

(b) l’équation chimique

L’écriture symbolique de la réaction chimique est l’équation chimique.

REACTIFS  PRODUITS

Les réactifs et les produits y sont représentés par leur formule : les réactifs à gauche de la flèche, les produits à droite.

Exemple 1: lors de la dissolution d’une pastille de soude (une mole) dans un litre d’eau, L’évolution du système chimique s’explique par la réaction de dissolution de l’hydroxyde de sodium qui peut être modélisée par l’équation

chimique suivante :

Exemple 2: lors de la première phase de l'effort chez le sportif, l'organisme effectue une transformation chimique à partir du glucose de formule brute C6H12O6 en acide lactique de formule brute C3H6O3. L'équation chimique de cette transformation est :

b) Transformation chimique et énergie chimique (1) Réaction exothermique

Une transformation qui libère de l'énergie sous forme de chaleur est appelée réaction exothermique.

Exemple: au cours de l'effort le glucose subit une transformation chimique produisant de l'acide lactique et de la chaleur. (voir ci-dessus l’équation chimique)

(2) Réaction endothermique

Une transformation qui prend de la chaleur au milieu extérieur est appelée réaction endothermique.

Exemple: la dissolution du chlorure d'ammonium est endothermique. Son équation chimique est:

NH4Cl(s) -> NH4 +

(aq) + Cl^-(aq)

(3) Une réaction qui ne libère aucune énergie sous forme de chaleur est appelée réaction athermique.

c) Exemple de transformation chimique – la combustion

Une combustion est une transformation chimique qui produit de l’énergie thermique (transformation chimique exothermique) Une combustion ne se produit que si l'on réunit trois éléments:

- un combustible (du bois, du gaz, du pétrole, etc) - un comburant (le plus souvent le dioxygène de ‘air) - une énergie d’activation (de la chaleur, une allumette, une

étincelle, etc..)

Remarque 1: Le démarrage de la combustion nécessite une énergie d’activation, mais la réaction est ensuite auto- entretenue par la libération d’énergie thermique

Remarque2 : Les réactifs consommés lors de la combustion sont: le combustible et le comburant les produits formés sont en général l’eau et le dioxyde de carbone

(1) Exemple de la combustion du méthane

Comme toute transformation chimique, la combustion du méthane est modélisée par une réaction chimique dont l’écriture symbolique est l’équation chimique.

Rappel : L’équation d’une réaction chimique doit être équilibrée pour justifier la conservation de l’élément chimique et de la charge.

Pour cela, des nombres appelés nombre stœchiométriques sont placés (si nécessaire) devant la formule de chaque espèce. En indice, il est possible de préciser l’état physique des corps mis en jeu dans la réaction.

Application : Ecrire et équilibrer l’équation de la réaction de combustion du méthane CH4: Aide1 : quel est le combustible ? Quelle est sa formule chimique ?

Aide2 : quel est le comburant ? Quelle est sa formule chimique ?

Aide 3 : l’un des produits formés trouble l’eau de chaux, quelle est son nom, quelle est sa formule ?

Aide 4 : l’autre produit formé est un liquide qui fait passer le sulfate de cuivre anhydre du blanc au bleu. Quelle est son nom et sa formule ?

……… + ……… → ……….. + ………

d) Bilan énergétique de la combustion.

Au cours de la combustion, les produits qui se forment (eau + dioxyde de carbone) sont plus stables que

ceux qui réagissent (combustible + dioxygène): la combustion libère de l’énergie.

e) Pouvoir calorifique d’un combustible

(1) Énergie libérée par une combustion

Définition : Le pouvoir calorifique d’un combustible (PC) est l’énergie que peut libérer la combustion complète d’un kilogramme de combustible, il s’exprime en J.kg^-1

Exemples de pouvoir calorifique :

Combustible Granulés bois Charbon Bioéthanol Fioul Essence Butane Méthane PC (J.kg^-1) 1,6×10⁷ 1,5×10⁷ à

2,7×10⁷ 3,0×10⁷ 4,2×10⁷ 4,7×10⁷ 4,9×10⁷ 5,0×10⁷

On distingue deux pouvoirs calorifiques :

- Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) : La vapeur d’eau produite après combustion n’est pas récupérée (elle est perdue dans l’atmosphère).

- Le pouvoir calorifique supérieur (PCS) : La vapeur d’eau produite est condensée, cela permet de récupérer l’énergie de changement d’état (ou chaleur latente L). Ceci a lieu dans les chaudières à condensation. par exemple

f) Risques liés aux combustions Toutes les réactions de combustion présentent des dangers :











Combustion incomplète : Si lors d’une combustion, la quantité de dioxygène n’est pas suffisante pour former du dioxyde de carbone, il se forme aussi de la suie (carbone) et du monoxyde de carbone : c’est une combustion incomplète.

combustion

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Combustible + Comburant Dioxyde de carbone +Eau +Carbone + Monoxyde de carbone

Le monoxyde de carbone CO est un gaz inodore, incolore et mortel qui se forme lors d’une combustion incomplète.

Les dangers des combustions sont les suivants :

 Intoxication au monoxyde de carbone : les molécules de CO prennent la place du dioxygène dans le sang et entraînent l’asphyxie puis la mort.

 Risque d’incendie : cela dépend du combustible utilisé.

 Risque d’explosion : si la quantité de vapeurs de combustible est suffisante dans un endroit confiné, une simple étincelle peut les enflammer violemment, c’est l’explosion.

Remarque :

Le monoxyde de carbone est un gaz inodore et incolore. C'est un gaz asphyxiant très toxique qui, absorbé en quelques minutes par l’organisme, se fixe sur l’hémoglobine (et empêche ensuite le transport du dioxygène) :



0,1 % de monoxyde de carbone dans l’air tue en une heure



1 % de monoxyde de carbone dans l’air tue en 15 minutes



10% de monoxyde de carbone dans l’air tuent immédiatement.

Il faut donc s'assurer que le dioxygène soit en quantité suffisante pour éviter les combustions incomplètes.

g) Prévention et protection contre les risques d’incendie

Pour prévenir les risques de combustions dans l’habitat, il faut vérifier :

 Un entretien régulier des installations de chauffage (ramonage…)

 Une bonne aération des pièces permettant l’évacuation des gaz formés et l’entrée de dioxygène.

 Certains combustibles sont dangereux : il faut consulter les précautions d'emploi et de stockage ainsi que les pictogrammes de sécurité avant leur utilisation



Pour se protéger des combustions dans l’habitat, il faut s’équiper :

 De détecteurs de fumée, qui avertissent du danger par un signal sonore.

 De détecteurs de monoxyde de carbone.

 D’extincteurs permettant d’agir avant l’arrivée des pompiers.

h) Arrêt d’un incendie

Pour stopper un incendie qui est une réaction de combustion il suffit de supprimer l’un des réactifs, aussi p

our arrêter

une combustion, il suffit de

d’activation).

I. Programme/aides ... 1

1. Eléments du programme (objectifs) ... 1

2. Aides ... 1

3. Cours ... 1

a) Système chimique ... 1

(1) Définition ... 1

(2) Représentation d'une transformation chimique ... 1

(3) La réaction chimique ... 2

(a) Definition de la réaction chimique ... 2

(b) l’équation chimique ... 2

b) Transformation chimique et énergie chimique ... 2

(1) Réaction exothermique ... 2

(2) Réaction endothermique ... 2

(3) Une réaction qui ne libère aucune énergie sous forme de chaleur est appelée réaction athermique. . 2

c) Exemple de transformation chimique – la combustion ... 2

(1) Exemple de la combustion du méthane ... 3

d) Pouvoir calorifique d’un combustible ... 3

(1) Énergie libérée par une combustion ... 3

e) Risques liés aux combustions ... 3

f) Prévention et protection contre les risques d’incendie ... 4

g) Arrêt d’un incendie ... 4