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Le cours

Les exercices

 

 

I- Que se passe –t-il lorsque l’on brûle du carbone ?

 

Le charbon et le fusain sont constitués de 90%à 99% de carbone. Les 1 à 10% restants sont composés de matières incombustibles (des minéraux) , que l’on retrouvent dans les cendres.

 

1.1. Combustion dans l’air

 

Introduisons  un morceau de fusain dans la flamme d’un bec bunsen  .

 

Observation : Dans l’air le fusain reste incandescent quelques instants. La combustion est lente et sans flamme.

 

 

1.2. Combustion dans le dioxygène

 

 Remplissons  un flacon de dioxygène par déplacement d’eau .Puis  introduisons  un morceau de fusain incandescent. Fermons  le flacon.

Observation : Dans le dioxygène de petites flammes entourent le fusain et des étincelles se produisent. La combustion est rapide et dégage beaucoup de chaleur.

Interprétation :  Le fusain se consume rapidement.

 

Conclusion :  Au cours de la combustion du fusain, le carbone disparaît

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La combustion du charbon est lente, c'est pourquoi une fois la combustion amorcée (point incandescent) il n'est pas nécessaire de se précipiter pour plonger le morceau de charbon dans le flacon de dioxygène (mais trop lentement non plus, autrement la combustion peut s'arrêtée.  Le charbon est introduit en défaut, il est clair que la totalité du charbon à disparu. Mais qu'est ce qu'on attend par "disparu"  Retour au néant ou réorganisation de la matière ?  fermer le fenêtre

1.3. Mise en évidence de la consommation du le dioxygène

Le charbon est introduit en excès. A la fin  de la combustion, il reste encore du charbon. Le test à la bûchette incandescente est négatif (la flamme n'est pas ravivée): tout le dioxygène est consommé (a disparu) Le test à l'eau de chaux est positif (l'eau de chaux se trouble) : du dioxyde de carbone s'est formée (est apparu).     fermer le fenêtre

 

Introduisons  après la combustion du fusain , une bûchette incandescente.

 

· Observation :  Elle s’éteint rapidement

· Interprétation :  Il n’y a donc  plus de dioxygène dans le flacon.

· Conclusion :   Au cours de la combustion du fusain, le dioxygène disparaît.

 

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1.4. Mise en évidence de la formation de dioxyde de carbone .

 

Introduisons  de l’eau de chaux et agiter le flacon

· Observation :  l’eau de chaux se trouble

· Interprétation :  Il s’est formé du dioxyde de carbone .

· Conclusion :   Au cours de la combustion du fusain, du dioxyde de carbone apparaît

 

 

II-  Écriture symbolique d’un bilan

 

¨Réactifs (de la réaction) : Quel que soit leur état physique (solide, liquide ou gazeux) , les réactifs sont les corps qui disparaissent lorsqu'ils sont mis en réaction. La réaction s'arrête avec la disparition de l'un des réactifs.

¨ Produits (de la réaction) : Quelque soit leur état physique ,les produits sont les nouveaux corps qui apparaissent.

¨ Réaction chimique : Il y a réaction chimique chaque fois qu'un ensemble de phénomènes, spontanés ou provoqués, conduit à la disparition des réactifs et à l'apparition des produits.

 

¨ Bilan d’une réaction chimique :  Le réactif (1) réagit avec le réactif (2) pour former le produit (1) et le produit (2). Cette réaction chimique se représente symboliquement par un bilan : à gauche les réactisf (ce qui disparaît) et à droite les produits ( ce qui apparaît)

 

Bilan :   réactif (1)  +   réactif  (2)  ¾®  produit (1) + produit (2)

 

Application : Combustion du carbone

1.Quels sont les réactifs ?

2. Quel(s) est (sont) le(s) produit(s) ?

3. Écrire une phrase résumant la réaction lors de la combustion du carbone .

4. Écrire le bilan de la réaction.

SOLUTION

III-  Combustion du butane

3.1. Utilisation et principe du bec Bunsen

1. La cuisine est un parallélépipède, son volume est donc Vcusine=L.l.h=4´2,5´2,5=25 m3. 2. Vbutane=1,8xVcuisine/100=0,45 m3. 3. Vbutane=0,45 m3=45L donc mbutane=25x2,4=60 g  soit 0,06kg. 4. Le débit horaire pour ce gaz est de 168 g/h. Donc le brûleur laissera échapper 60 g de butane en 60/168=0,35h soit 21 minutes et 25 secondes. fermer le fenêtre
Un cylindre métallique percé de trous (appelé virole)   est libre de tourner autour d’un tube métallique percé de trous	La virole est ouverte. Le mélange est riche en dioxygène. La flamme est bleue, très chaude et  peu lumineuse	La virole est fermée. Le  mélange est pauvre en dioxygène. La flamme est grande, chaude  et éclairante.

3.2. Combustion complète du butane  (mélange riche en dioxygène)

Le butane est le gaz que l'on trouve dans les bouteilles à gaz ou dans les briquets. Le bec bunsen est relié à une bouteille contenant du butane. Réalisons la combustion du butane  et plaçons un tube à essai au dessus de la flamme afin de récupérer les gaz de combustion. Introduisons de l’eau de chaux.

· Observation : Au cours de la combustion, le sulfate de cuivre anhydre bleuit et l’eau de chaux se trouble.

· Interprétation : Lors de la combustion, il se produit de l’eau et du dioxyde de carbone.

·Conclusion : La combustion du butane dans le dioxygène de l’air  est une réaction chimique

Bilan de la réaction  :  butane  + dioxygène  ¾® eau + dioxyde de carbone

3.3.  Combustion incomplète du  butane  (mélange pauvre en dioxygène)

Plaçons  une soucoupe au dessus de la flamme .

 - Observation : La flamme est lumineuse et dégage de la fumée que l’on peut recueillir avec une soucoupe. Celle-ci se couvre d’un solide noir. 

- Interprétation : Lors de la combustion incomplète, il se forme en plus du dioxyde de carbone et de l’eau, d’autres produits : du carbone ( solide noir) et du monoxyde de carbone (gaz indécelable car il est incolore et inodore).

- Conclusion : La combustion incomplète du butane dans le dioxygène de l’air est une réaction chimique. Cette combustion est dite incomplète car  certains des produits qui se forment peuvent  encore brûler.  

Application : combustion du méthane (Un dispositif particulier)

Afin de mettre en évidence les produits de la combustion du méthane, on utilise le dispositif ci-dessous. La fiole à vide permet d’aspirer les gaz qui se dégagent : ceux-ci traversent alors le sulfate de cuivre anhydre et barbotent dans l’eau de chaux.

1. Précisez le rôle du sulfate de cuivre anhydre et ce lui de l’eau de chaux.

2. Notez vos  observations concernant ces deux substances.

4. Écrire le bilan de la combustion du méthane

remarques :

- Bilan général d’une combustion :     

- Pour qu’une combustion puisse avoir lieu, il faut simultanément : un combustible (essence, papier, bois, bougie, alcool etc ) , un comburant (dioxygène, dioxyde de carbone etc) et une source de chaleur (frottement, flamme, étincelle, compression, court-circuit)  

IV-  Le danger des combustions

4.1. Les explosions

Dans certaines circonstances certaines combustions deviennent explosives : en un laps de temps, une très grande quantité de gaz est fabriquée engendrant la formation d'une onde de choc qui détruit tout sur son passage.

Pour en savoir une peu plus : http://www.cepr.tm.fr/fr/risqdome/explosion.htm

4.1.1.Réaliser une réaction explosive

Des fuites de butane peuvent provoquer de graves explosions. Comment réaliser une réaction explosive ?

Expérience à faire UNIQUEMENT par le professeur : Mélanger de l'eau et du liquide vaisselle. Introduire, à l'aide d'une seringue, un mélange de butane et de dioxygène : il se forme des bulles. Enflammer les bulles avec une allumette.

Le matériel utilisé pour réaliser des petites explosion en classe.	Une éprouvette graduée retournée sur une cuve à eau permet de réaliser le mélange explosif.	Pour ne pas travailler sur des volumes de gaz trop importants, le mélange explosif est introduit dans de l'eau savonneuse: des bulles se forment. en fonction de la taille des bulles , l'explosion est plus u moins retentissante.

4.1.2. Un mélange air-gaz qui devient explosif 

Tous les gaz sont explosifs dès que leur mélange dans l’air atteint une certaine concentration. Pour le butane, elle est comprise entre 1,8 % et 15 %. En dessous de la limite inférieure et au dessus de la limite supérieure, il n’y a pas de risque d’explosion.

1. Pour 100 L de mélange de gaz, Quel est le nombre de litre de dioxygène ainsi que le nombre de litre de butane mélangé ? 

2. Le mélange introduit dans la seringue correspond-il  bien à un mélange explosif ?

3.1. Pour réaliser cette expérience, on utilise une cuve à eau dans laquelle on a retourné une éprouvette graduée remplie d’eau. Dessiner le schéma.

3.2. Déterminer le volume de butane qu’il faut introduire dans l’éprouvette sachant que l’on désire préparer 250 mL de mélange explosif.  

3.3. On dispose  d’un briquet contenant du butane. Expliquer simplement comment recueillir dans l’éprouvette, le volume de butane désiré.

4.1. Quel volume de dioxygène doit-on introduire dans l’éprouvette pour réaliser le mélange explosif

 SOLUTION

Solution 3

1. Pour 100 L d’un mélange explosif , le volume de butane est compris entre 1,8L et 15L. Le volume de dioxgène est donc égal respectivement à 98,2 L et 85L.

2. Le mélange introduit dans la seringue est préparé de la façon suivante :  2 volumes de butane pour 13 volumes de dioxygène. Donc le pourcentage de butane est égale à 2/15x100=13% . Le mélange préparé est donc bien explosif.

3.2. Pour une éprouvette de 250 mL, il faut donc introduire 250x13/100=32,5 mL de butane.

3.3. Une éprouvette pleine d’eau est retournée dans une cuve à eau. Il suffit ensuite de glisser un briquet et de remplir l’éprouvette de butane.

4.1. Pour une éprouvette de 250 mL, il faut donc introduire  250-32,5=217,5 mL de dioxygène. 

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Aide : 2 volumes de butane pour 13 volumes de dioxygène, cela revient à dire que sur 15 litres de mélange formé, on a utilisé  2 litres de dioxygène et 13 litres de dioxygène.

4.1.3. L’enfant qui manipule les boutons de la cuisinière

"NE PAS TOUCHER AU GAZ" est l’un des premiers interdits que l’adulte impose à l’enfant dès qu’il marche. Mais l’enfant peut le déjouer et les circonstances sont différentes selon l’âge. À 18 mois, il le fait par inadvertance. À trois ans, il le fait pour vérifier que l’interdit est toujours de rigueur ou pour le braver en déjouant la vigilance de ses parents. À 6 ans, il le fait pour comprendre comment ça marche. Si la fuite provient d’un brûleur, l’adulte peut rapidement détecter la fuite grâce à l’odeur qui se répand dans l’air ambiant… À condition d’être là ! Si l’enfant manipule le bouton du four et que le gaz se diffuse à l’intérieur, le risque d’explosion est imminent ! L’explosion du four peut survenir aussi bien avec le méthane, le butane ou le propane.

Un enfant tourne le bouton d’un brûleur rapide d’une cuisinière à butane. Le débit horaire pour ce gaz est de  est de  168 g/h .Le dimensions de la cuisine sont les suivantes 4´2,5´2,5 (mètres).

1. Déterminer le volume de la cuisine

2. Le mélange air-butane devient explosif pour une concentration en butane de 1,8%, en déduire le volume de butane  présent dans l’air

3. sachant qu’un litre de butane pèse dans les conditions normales de pression et de température 2,4 g, en déduire la masse de butane en kilogramme  contenu dans l’air.

4.2.  Les incendies

4.3.  Intoxication au monoxyde de carbone  ( Article de  journal )

En 1994, les combustions incomplètes font la une de la "DEPECHE DU MIDI".

Alerte à l'oxyde de carbone : deux morts et une centaine d'intoxiqués dans le Nord

 Réchauffement soudain de l'atmosphère, absence de vent, et utilisation des appareils de chauffage au charbon ont créé les conditions idéales à la propagation de l'oxyde de carbone, gaz indétectable et mortel qui a causé, hier, la mort de deux personnes et l'hospitalisation d'une centaine d'autres dans le nord de la France. ( ... )

Attention aux chauffages défectueux ou au ralenti : Quatre-vingt personnes hospitalisées chaque année à Toulouse

 L'oxyde de carbone (CO) provient de la combustion incomplète des carburants qui en cycle normal se transforment en gaz carbonique (CO₂), en eau et en chaleur. Les chaudières et poêles à charbon, encore très répandus dans cette région, sont particulièrement touchés par ce cycle de combustion incomplet, notamment si le charbon est de mauvaise qualité. ( ... )

Pour éviter l'intoxication

 Ce qu'il faut faire. Faire ramoner sa cheminée une fois par an (C'est obligatoire !...) Vérifier le bon état des conduites d'aération Ce qu'il ne faut pas faire : Boucher les aérations disposées dans les appartements sous prétexte qu'elles laissent passer le froid ; elles laissent aussi passer l'oxygène Installer un chauffe-eau sans cheminée dans une salle de bains sans aération Utiliser un chauffage de fortune (brasero, poêle ...) sans cheminée. Les personnes intoxiquées doivent être placées dans des caissons hyperbare et ventilées en respirant massivement de l'oxygène pour être désintoxiquées. "Ce sont les appareils de chauffage mal réglés, ou les appartements mal aérés qui sont à l'origine des intoxications, parfois mortelles, au monoxyde de carbone.

Premier symptômes : fatigue, nausées ....

 "L'intoxication au monoxyde de carbone est insidieuse, explique le Docteur Michèle Fabre, parce qu'elle passe tout d'abord inaperçue et qu'ensuite elle ressemble à beaucoup d'autres maladies." La victime ressent d'abord une fatigue, une faiblesse dans les jambes, des maux de tête ... Puis viennent les nausées et les vomissements. Alors on pense souvent à une intoxication d'origine alimentaire, surtout lorsque les membres d'une même famille sont atteints. Vient ensuite la torpeur, une vague somnolence ... "Et on n'a plus le réflexe d'ouvrir la fenêtre pour respirer !" avertit le Commandant Fleury. Aux premiers symptômes un peu suspects, il vaut mieux ouvrir la fenêtre : Si ça va mieux vous saurez à qui vous avez à faire. "Le monoxyde de carbone, qui pénètre dans les poumons se fixe sur les globules rouges trois cents fois mieux que le dioxygène nécessaire à la production d'énergie et au fonctionnement du cerveau et  irréversiblement.  Il bloque alors le transport du dioxygène  dans tout l'organisme, ce qui entraîne d'abord une perte de connaissance, puis la mort par asphyxie. En cas de légère intoxication, il suffit d'ouvrir la fenêtre et de respirer longuement. Pour les cas les plus graves, il faut mettre le patient sous oxygène. A Toulouse nous avons un caisson hyperbare, c'est pourquoi nous traitons les intoxications graves de la région, dit le docteur M. Fabre. Là, les personnes intoxiquées sont ventilées en respirant massivement de l'oxygène."

 1. Réécrire la phrase suivante en utilisant un vocabulaire scientifique : « L’oxyde de carbone provient de la combustion …. en eau et en chaleur. »

2. Quels sont les effets du monoxyde de carbone sur le sang ?

3. Pourquoi le monoxyde de carbone est-il dangereux ?

4. Quels sont les risques encourus ?

5. Quelle(s) précaution(s) faut-il prendre pour éviter de tels accidents ?

6. Quels sont les premiers symptômes d’une intoxication au monoxyde de carbone.

7. Quelle est la première mesure d'urgence à mettre en œuvre chaque fois qu'il peut y avoir risque d'intoxication au monoxyde de carbone ?

SOLUTION