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EVALUATION SPECIALITE PHYSIQUE CHIMIE CH1 LA MOLE sujet 2 Barème sur 14 points Présentation de la copie 0,5 – Arrondis et chiffres significatifs 0,5 

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bouteille de propane Calculons la masse de butane gazeux contenu dans un volume de 30,6 L, sous la pression qui soit une masse m1 = 3,1 x 58 = 180 g

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Ces masses sont celles d'une mole d'atomes Ainsi, pour calculer la masse molaire d'une molécule de propane C3H8, on regarde la masse molaire du carbone, 

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a) Calculer la masse molaire du butane Le propane (gaz en bouteille utilisé dans les gazinières ou pour des utilisations extérieures) a pour formule C3H8 1

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15 0 g d'heptane C7H16 de masse molaire M = 100 0 g mol−1 c À partir des énergies de liaisons, évaluer l'énergie molaire de combustion du propane

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PROPANE SCIENTIFIQUE 3 5 Généralités Nom du Gaz Propane Masse molaire 44,096 g/mol Densité de gaz Masse volumique 231,105 K (-42,045° C)

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suivants : en Masse en Volume O2 24 21 N2 Propane commerciaux, Air propané 2 1 Nombre de moles - Masse Molaire - Volume Molaire : Relations

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Unités Valeurs Formule chimique CH3-CH2-CH3 Masse molaire g/mol 44 Température d'ébullition sous 1,013 bar °C -42 Masse volumique du liquide

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LYCEE PROFESSIONNEL Ernest CUVELETTE 1 TM COMBUSTION Page 1 Technologie Date : 1. Définition La combustion peut être définie comme la réaction chimique qui a lieu lors de la combinaison entre l'oxygène et une matière combustible. Cette réaction est globalement exothermique, c'est-à-dire qu'elle se produit avec un dégagement de chaleur. Dans le cas du bâtiment, cette chaleur est essentiellement utilisée pour maintenir une température de confort. 1.1 Comburant Le comburant est l'air atmosphérique dont la composition est la suivante : Oxygène : O2 Dioxyde de carbone : CO2 Azote : N2 Gaz rares : Néon, Krypton... En combustion, pour déterminer les quantités d'air théoriques, on utilise les pourcentages suivants : % en Masse % en Volume O2 24 21 N2 76 79 1.2 Combustibles Les combustibles sont multiples (gaz, pétrole, bois, charbon, ...) mais ils ont un point commun : celui de contenir principalement des hydrocarbures, c'est-à-dire des combinaisons multiples de carbones et d'hydrogènes. On distingue les combustibles suivants accompagnés de leurs compositions générales : SOLIDE LIQUIDE GAZ Hydrocarbures Combustibles courants Charbons, Anthracites, Bois FOD Fiouls Lourds n°1 et 2 Gaz naturels, Butane et Propane commerciaux, Air propané

LYCEE PROFESSIONNEL Ernest CUVELETTE 1 TM COMBUSTION Page 2 Technologie Date : 2. Physico-chimie de la combustion 2.1 Nombre de moles - Masse Molaire - Volume Molaire : Relations Désignations Unités n : Nombre de moles [mol] m : Masse du corps [g] M : Masse molaire du corps [g/mol] n : Nombre de moles [mol] V : Volume du corps [l] ou [m3] Vm : Volume molaire du corps [l/mol] A 0°C, sous la pression atmosphérique normale de 101325Pa, le volume molaire des gaz est égal à : 2.2 Caractéristiques chimiques des composants : NATURE DU CORPS SYMBOLE CHIMIQUE MASSE MOLAIRE [kg/kmol] OXYGENE O2 32 AZOTE N2 28 HYDROGENE H 1 CARBONE C 12 SOUFRE S 32 GAZ CARBONIQUE CO2 MONOXYDE DE CARBONE CO VAPEUR D'EAU H2O M

m n= m V V n=

Vm = 22.4 litres/mol

LYCEE PROFESSIONNEL Ernest CUVELETTE 1 TM COMBUSTION Page 3 Technologie Date : Nous savons que la combustion d'un hydrocarbure (combustible) s'obtient en le faisant réagir avec l'oxygène (comburant). Par commodité et économie, plutôt que d'employer de l'oxygène pur, on utilise l'air qui en contient près de 21%. L'azote contenu dans l'air ne participe pas à la combustion. Carbone + oxygène gaz carbonique Hydrogène + oxygène eau Que l'on écrit chimiquement : C + (O2 +3.76 N2) CO2 + 3.76 N2 H2 + !! (O2 + 3.76 N2) H2O + 1.88 N2 Nous commencerons l'étude détaillée de la combustion des hydrocarbures par celle des gaz naturels, c'est-à-dire de leur principal constituant : le méthane. 3. Combustion neutre du méthane Ecrire, ci-dessous, l'équation bilan de la combustion complète du méthane (CH4). CH4 + 2 (O2 + 3.76 N2) CO2 + 2 H2O + 7.52 N2 3.1 Le pouvoir comburivore Il désigne la quantité d'air strictement nécessaire et suffisante qu'il faut fournir pour assurer la combustion neutre de l'unité de combustible. " Notation : Va " Unités : [m3(n) d'air / m3(n) de combustible] [m3(n) d'air / kg(n) de combustible]

LYCEE PROFESSIONNEL Ernest CUVELETTE 1 TM COMBUSTION Page 4 Technologie Date : " Relation : 2

N 2 O

V V Va+=

Pour le méthane : Va = 2 + (2 x 3.76) = 9.52 m3(n) d'air / m3(n) de méthane 3.2 Les Pouvoirs Fumigènes C'est la quantité de fumées qui résulte de la combustion neutre de l'unité de combustible. Il existe deux types de pouvoirs fumigènes : • Le pouvoir fumigène SEC • Le pouvoir fumigène HUMIDE " Notation : Pouvoir fumigène SEC : Vfs Pouvoir fumigène HUMIDE :Vfh " Unités : [m3(n) de fumées (sec ou humide) / m3(n) de combustible] [m3(n) de fumées (sec ou humide) / kg(n) de combustible] Pouvoir Fumigène SEC Pouvoir Fumigène HUMIDE 22

CON

V V +=Vfs

O Vfh 222
HCON

V V V ++=

Pour le méthane : Vfs = 7.52 + 1 = 8.52 m3(n) de fumées sec / m3(n) de méthane Vfh = 7.52 + 1 + 2 = 10.52 m3(n) de fumées humide / m3(n) de méthane Avec : VO2 = Volume d'oxygène nécessaire VN2 = Volume d'azote

LYCEE PROFESSIONNEL Ernest CUVELETTE 1 TM COMBUSTION Page 5 Technologie Date : 3.3 Les proportions des constituants Elles représentent le rapport entre la quantité du constituant choisi et la quantité totale des fumées, découlant de la combustion neutre de l'unité de combustible. Ayant deux pouvoirs fumigènes, on définira donc, pour chaque constituant, deux pourcentages. Teneur en CO2 dans les fumées: " Notation : γ CO2 " Unité : [%] " Relations : 100

Vfh V ' et 100 Vf V 2 2 2 2 COCO COCO s Teneur en O2 dans les fumées: " Notation : γ O2 " Unité : [%] " Relations : 0 100 Vfh V ' et 0 100 Vfs V 2 2 2 2 OO OO

Dans la combustion neutre il n'y a pas présence d'oxygène dans les fumées ! ! ! ! Pour le méthane : γCO2 = !!.!" x 100 = 11.74 % γ'CO2 = !!".!" x 100 = 9.51 %

LYCEE PROFESSIONNEL Ernest CUVELETTE 1 TM COMBUSTION Page 6 Technologie Date : 4. Combustion réelle. La combustion neutre ou (stoechiométrique) est la base des calculs théorique en combustion. Les résultats d'une combustion réelle, d'un combustible, vont permettre de la définir précisément, par comparaison avec les résultats de la combustion neutre. Ainsi, par rapport à la théorie, on pourra définir : • La combustion en excès d'air, • La combustion en défaut d'air. En pratique, c'est l'analyse des fumées sur site qui donnera les renseignements techniques nécessaires à la définition de la combustion réelle. 4.1 Le facteur d'air Généralement noté n, mais les analyseurs de combustion indiquent λ (lambda). C'est le rapport entre le volume d'air réel (R) qui passe dans le brûleur et le pouvoir comburivore (Va). n = !!" Exemple : Un brûleur au gaz consomme 11.88 m3(n) d'air par m3(n) de gaz. Son pouvoir comburivore est de 9.9 m3(n). Calculer son facteur d'air. n = !!.!!!.! n = 1.2 L'analyseur affichera 1.2 λ.

LYCEE PROFESSIONNEL Ernest CUVELETTE 1 TM COMBUSTION Page 7 Technologie Date : Si le facteur d'air : n = 1 : la combustion est neutre n > 1 : la combustion est en excès d'air n < 1 : la combustion est en défaut d'air. 4.2 Manque d'air Il n'y a pas assez d'air, donc d'oxygène. Que se passe-t-il ? Toutes les molécules de carbone ne sont pas oxydées, et cela entraine la formation d'autres produits, tels que le monoxyde de carbone et la suie. Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz toxique (mortel selon la concentration et la durée d'exposition). La suie se dépose sur les surfaces d'échange de la chaudière entrainant son encrassement prématuré. 4.3 Excès d'air Pour éviter la formation de produits dangereux et toxiques, c'est-à-dire que pour être sûr que, dans tous les cas, toutes les particules du combustible soient oxydées, on ajoute une quantité d'air plus grande que nécessaire.

LYCEE PROFESSIONNEL Ernest CUVELETTE 1 TM COMBUSTION Page 8 Technologie Date : VALEURS PRATIQUES CO2 en % O2 en % Excès d'air CO* en ppm Indice de noircissement Gaz naturel 9 à 10 3.4 à 4.5 <10 Propane 12 3 13 <10 Fioul domestique 12 à 13 3.5 à 4.7 <10 0-1 *mesure du CO ambiant

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