L'énergie chimique

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La transformation chimique

A) Le système chimique

Un système chimique est l’ensemble des espèces chimiques susceptibles de réagir entre elles.

Exemple

Lorsque l’on considère la réaction de combustion du méthane dans l’air, modélisé par l’équation :

CH4 + O2 → CO2 + H2O, le système chimique est constitué du méthane et du dioxygène.

B) L’énergie du système chimique

L’énergie chimique est une forme d’énergie associée aux liaisons formées par les atomes ou les ions au sein des espèces chimiques. C’est une partie de l’énergie du système chimique.

Au cours d’une transformation chimique, de l’énergie du système peut être transformée en énergie thermique (effet thermique associé) et engendrer une élévation ou une diminution de la température du système, voire du milieu extérieur.

À SAVOIR

Une réaction exothermique contribue à transférer de l’énergie thermique au milieu extérieur, ce qui génère une élévation de sa température ; dans le même temps, l’énergie du système diminue.

Une réaction endothermique contribue à prélever de l’énergie thermique au milieu extérieur, ce qui génère une diminution de sa température ; dans le même temps, l’énergie du système augmente.

Les combustions

A) Le principe de la combustion

Une combustion est une transformation chimique ; elle ne peut se produire que si 3 éléments sont réunis : un combustible, un comburant et une énergie d’activation en quantités suffisantes. Ces 3 éléments sont souvent représentés de manière symbolique par le triangle du feu. En effet, la combustion cesse dès qu’un élément du triangle est enlevé.

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Le combustible est une substance capable de brûler en présence d’un autre réactif (comburant) pour fournir de l’énergie thermique. Le combustible peut être :

un solide : bois, papier, carton, matières plastiques… ;

un liquide ou un solide liquéfiable : alcool, essence, fuel, huile… ;

un gaz : méthane, propane, butane, d’hydrogène… ;

un métal : sodium, aluminium, fer…

Le comburant constitue l’autre réactif de la réaction chimique de combustion. Il s’agit la plupart du temps du dioxygène contenu dans l’air ambiant. On peut aussi utiliser du dioxygène pur, alors la combustion est beaucoup plus vive. Si l’on supprime le comburant, en enfermant par exemple une bougie dans un bocal, elle finira par s’éteindre.

La combustion ne peut démarrer que si de l’énergie est apportée pour l’initier. Comme les combustions sont exothermiques, elles s’auto-entretiennent ensuite.

B) L’énergie du système

Une combustion est une réaction exothermique, car le système chimique transfère de l’énergie thermique au milieu extérieur. Dans le même temps, l’énergie chimique du système diminue. Cette énergie thermique peut être utilisée directement pour se chauffer ou pour cuire les aliments. Elle peut aussi être convertie partiellement en énergie mécanique (moteurs à combustion) ou en énergie électrique.

L’énergie libérée par une combustion dépend de la nature du combustible.

C) Le pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique (PC) d’un matériau combustible est l’énergie dégagée par une réaction de combustion par unité de masse de ce matériau. L’énergie de combustion avec le dioxygène est ici dégagée sous forme de chaleur. On considère que la combustion produit du dioxyde de carbone et de l’eau.

Le pouvoir calorifique s’exprime en mégajoule par kilogramme (MJ.kg–1) pour les solides, les liquides ou les gaz combustibles. Le pouvoir calorifique de différents combustibles est donné dans le tableau ci-dessous :

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La combustion d’un kilogramme de combustible fossile ou de bois fournit quelques dizaines de mégajoules au milieu extérieur sous forme d’énergie thermique. Cette énergie transférée au milieu extérieur correspond à une diminution de l’énergie chimique du système.

L’énergie libérée Q par une combustion est le produit de la masse de combustible par son pouvoir calorifique :

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D) La détermination du pouvoir calorifique d’un combustible

Pour déterminer le pouvoir calorifique PC d’un combustible, il faut déterminer la masse de combustible nécessaire pour faire augmenter la température d’une masse d’eau. En connaissant l’énergie fournie à l’eau, on trouve alors le pouvoir calorifique du combustible.

La protection contre les risques liés aux combustions

A) Les risques et les dangers

Les risques liés à l’inflammabilité (risque d’incendie) d’un produit ou d’un mélange représentent un danger important. Un incendie est une combustion accidentelle qui se déroule de manière désordonnée et incontrôlée. Le développement d’un incendie nécessite donc la présence d’un combustible, d’un comburant et l’apport d’une flamme, ou plus généralement d’énergie sous forme de chaleur.

Les réactions de combustion présentent des dangers :

pour les personnes : intoxications dues au monoxyde de carbone s’il n’y a pas assez de dioxygène, asphyxies dues aux fumées ou au manque de dioxygène consommé par la ­combustion, brûlures en présence des flammes ;

pour les biens : destruction de l’habitat lors de l’incendie.

B) La prévention et la protection

Avant de détecter un feu et le combattre, il est préférable de l’éviter en empêchant la formation du triangle de feu. L’énergie d’activation est l’élément à éloigner du combustible et du comburant.

Lorsque l’incendie a débuté, il faut le détecter rapidement de manière automatique, avec un détecteur de fumées. Il est constitué d’un émetteur de lumière et d’un récepteur. La fumée pénétrant le faisceau de lumière affaiblit le rayonnement infrarouge. Si celui-ci descend au-dessous d’une valeur déterminée, le circuit du récepteur déclenche une alarme.

Il faut pouvoir éteindre l’incendie dès que possible avec un extincteur. C’est un appareil qui projette sous l’effet d’une pression intérieure, un agent extincteur sur un foyer d’incendie :

l’eau est l’agent extincteur le plus utilisé et le moins cher. L’eau agit par étouffement lorsque l’atmosphère est inertée par de la vapeur d’eau et par refroidissement ;

les poudres à base de bicarbonate de sodium se décomposent à chaud selon la réaction : 2 NaCO3H → Na2CO3 + CO2 + H2O. Le dégagement abondant de gaz carbonique provoque l’étouffement du foyer et élimine aussi un élément du triangle du feu ;

le dioxyde de carbone agit sur le feu par étouffement. L’air est remplacé par du gaz carbonique (toute combustion devient impossible à partir de 20 % de CO2).