1. La combustion : une transformation chimique qui libère de l'énergie
Le gazole des camions qui livrent les bobines de papier, le gaz naturel de la chaudière de l'imprimerie, l'essence du scooter du coursier : l'énergie utilisée aujourd'hui est encore très majoritairement obtenue par combustion du charbon et des hydrocarbures. Une combustion est une réaction chimique entre un combustible (charbon, hydrocarbure) et un comburant (le dioxygène O2 de l'air). Elle libère de l'énergie thermique.
Un hydrocarbure est une molécule constituée uniquement d'atomes de carbone C et d'hydrogène H. Exemples : méthane CH4 (gaz naturel), propane C3H8 (bouteilles de gaz), octane C8H18 (essence).
La combustion nécessite trois éléments réunis (triangle du feu) : combustible + comburant + énergie d'activation (étincelle, flamme).
2. Combustion complète et combustion incomplète
Combustion complète (dioxygène en excès) : les produits sont le dioxyde de carbone CO2 et l'eau H2O.
Combustion incomplète (manque de dioxygène) : il se forme en plus du monoxyde de carbone CO et des suies C (carbone).
Danger — sécurité : le monoxyde de carbone CO est un gaz incolore, inodore et mortel : il empêche le sang de transporter le dioxygène. Les suies et CO sont aussi toxiques et polluants. Un appareil de chauffage mal réglé ou un local mal aéré peut provoquer une intoxication : d'où l'obligation d'entretenir les chaudières et d'installer des détecteurs de CO dans les locaux chauffés de l'atelier.
Identifier les produits d'une combustion (protocole pas à pas) :
- 1. Brûler prudemment un combustible (bougie, morceau de charbon) sous une verrerie adaptée, avec lunettes et blouse.
- 2. Test de l'eau : la buée qui se dépose sur une paroi froide trouble le sulfate de cuivre anhydre (blanc → bleu) : présence d'eau.
- 3. Test du CO2 : recueillir les gaz et les faire barboter dans l'eau de chaux : elle se trouble (précipité blanc) en présence de CO2.
- 4. Observer d'éventuels dépôts noirs (suies) : signe d'une combustion incomplète.
- 5. Conclure sur les produits formés et trier les déchets chimiques selon les consignes.
3. Écrire et ajuster l'équation de combustion
Ajuster (équilibrer) une équation de combustion :
- 1. Écrire les réactifs à gauche : hydrocarbure + O2.
- 2. Écrire les produits à droite : CO2 + H2O (combustion complète).
- 3. Ajuster d'abord les atomes de carbone, puis ceux d'hydrogène, puis ceux d'oxygène.
- 4. Vérifier que le nombre de chaque atome est identique des deux côtés (conservation des éléments).
Exemple résolu — combustion du méthane (chaudière au gaz) :
CH4 + O2 → CO2 + H2O (non ajustée)
Carbone : 1 de chaque côté ✓. Hydrogène : 4 à gauche → 2 H2O à droite. Oxygène : 2 + 2 = 4 à droite → 2 O2 à gauche.
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Exemple résolu — combustion du propane : C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O (3 C, 8 H, 10 O de chaque côté).
4. Énergie libérée : le pouvoir calorifique
Le pouvoir calorifique (PCI) d'un combustible est l'énergie thermique libérée par la combustion complète d'un kilogramme de ce combustible. Il s'exprime en MJ/kg (mégajoule par kilogramme). Exemple : PCI du gazole ≈ 42 MJ/kg.
E = m × PCI
- E : énergie thermique libérée en MJ
- m : masse de combustible brûlé en kg
- PCI : pouvoir calorifique en MJ/kg
Exemple résolu — camion de livraison de papier : un camion brûle m = 25 kg de gazole (PCI = 42 MJ/kg) pour livrer des bobines de papier.
E = m × PCI = 25 × 42 = 1 050 MJ = 1,05 × 109 J.
Le moteur thermique ne convertit qu'une partie de cette énergie en énergie mécanique ; le reste est perdu en chaleur.
5. Masse de CO₂ dégagée et réchauffement climatique
Calculer la masse de CO₂ dégagée (données fournies) :
- 1. Calculer la quantité de matière de combustible : n = m / M.
- 2. Lire dans l'équation ajustée le nombre de moles de CO2 produites par mole de combustible.
- 3. En déduire la quantité de CO2, puis sa masse : m(CO2) = n(CO2) × M(CO2), avec M(CO2) = 12 + 2 × 16 = 44 g/mol.
Exemple résolu — 1 kg de propane (groupe électrogène) : C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O, avec M(C3H8) = 44 g/mol et M(CO2) = 44 g/mol.
n(propane) = 1 000 / 44 ≈ 22,7 mol. D'après l'équation, 1 mol de propane donne 3 mol de CO2 : n(CO2) = 3 × 22,7 ≈ 68,2 mol.
m(CO2) = 68,2 × 44 ≈ 3 000 g = 3 kg de CO₂ pour 1 kg de propane brûlé.
Le dioxyde de carbone est l'un des principaux gaz à effet de serre : l'augmentation de sa concentration dans l'atmosphère accentue le réchauffement climatique. C'est pourquoi une imprimerie cherche à limiter les transports (groupage des livraisons), à isoler le bâtiment et à choisir des équipements sobres en énergie.
Sécurité et environnement : repérer sur les étiquettes des combustibles et solvants d'atelier les pictogrammes de danger (inflammable, toxique), stocker les produits inflammables loin des sources de chaleur, et trier les déchets chimiques (bains, solvants) selon la filière prévue — jamais à l'évier.