Réactions de combustion

Sur la cuisinière à gaz de la maison de Lucie, le butane réagit avec le dioxygène de l'air pendant que le dîner chauffe. Compléter le schéma général d'une combustion complète avec les mots manquants : « Dans toute combustion complète, un $\dots$ réagit avec le $\dots$ de l'air et il se forme $\dots$ et $\dots$ ».

À la fin d'un barbecue, Georges recouvre les braises de sable et le feu s'éteint. Le schéma de la combustion peut être représenté ainsi :

Expliquer, à l'aide du schéma de la combustion, quel « ingrédient » de la réaction manque lorsqu'on recouvre les braises et pourquoi le feu ne peut pas continuer.

Indiquer lesquelles de ces équations correspondent à une combustion complète et expliquer pourquoi :

1. a) $CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow CO_2 + 2\ H_2O$
2. b) $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$
3. c) $C + O_2 \rightarrow CO_2$
4. d) $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

Pour déterminer quels produits forme la flamme d'une bougie, on fait passer ses gaz dans un tube contenant du sulfate de cuivre anhydre, qui est blanc, puis on les fait buller dans de l'eau de chaux (hydroxyde de calcium dissous), comme le montre la figure.

On observe que le sulfate de cuivre devient bleu et que l'eau de chaux se trouble.

1. a) Quel produit de la combustion chacun des deux changements observés met-il en évidence ?
2. b) Le trouble est dû à la réaction $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O$, qui forme un précipité blanc de carbonate de calcium. Vérifier que l'équation est équilibrée.
3. c) Que peut-on conclure sur les éléments contenus dans la cire de la bougie ? Justifier la réponse.

Le méthane ($CH_4$) est le gaz naturel qui arrive dans de nombreuses cuisines. Écrire l'équation de sa combustion complète (les produits sont le dioxyde de carbone et l'eau) et l'équilibrer.

Un camarade a écrit dans son cahier la combustion complète de l'éthane ($C_2H_6$) ainsi : $2\ C_2H_6 + 7\ O_2 \rightarrow 4\ CO_2 + 6\ H_2O$. Compter les atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène de chaque côté de la flèche et vérifier si l'équation est bien équilibrée. Justifier la réponse.

Le propane ($C_3H_8$) est le combustible de nombreux chauffages d'appoint et de caravanes. Écrire et équilibrer l'équation de sa combustion complète.

Le butane ($C_4H_{10}$) des bouteilles orange brûle avec le dioxygène en formant du dioxyde de carbone et de l'eau. Écrire l'équation et l'équilibrer ; un coefficient fractionnaire apparaîtra devant le dioxygène et il faudra l'éliminer en multipliant toute l'équation par deux.

Les cheminées à bioéthanol brûlent de l'éthanol ($C_2H_6O$) en produisant du dioxyde de carbone et de l'eau. Écrire et équilibrer l'équation de leur combustion complète. Indice : tenir compte du fait que la molécule d'éthanol contient déjà un atome d'oxygène.

Au laboratoire, la flamme du bec Bunsen est bleue lorsque l'arrivée d'air est ouverte, et jaune et lumineuse lorsqu'elle est fermée, comme le montre la figure.

Une de ces deux flammes noircit de suie les tubes à essai. Indiquer laquelle et expliquer quel type de combustion (complète ou incomplète) a lieu dans chaque cas.

Lorsqu'un chauffe-eau à gaz fonctionne dans une pièce mal ventilée, la combustion du butane devient incomplète. Nommer les deux espèces chimiques qui peuvent alors se former à la place du dioxyde de carbone et expliquer pourquoi l'une d'elles est particulièrement dangereuse pour les personnes présentes dans la pièce.

Un chauffe-eau à gaz mal ventilé brûle du méthane ($CH_4$) avec peu de dioxygène et, au lieu du dioxyde de carbone, il se forme du monoxyde de carbone ($CO$), ainsi que de l'eau. Écrire et équilibrer l'équation de cette combustion incomplète du méthane.

Quand vous courez, vos muscles « brûlent » du glucose ($C_6H_{12}O_6$) avec le dioxygène que vous respirez, et il se forme du dioxyde de carbone et de l'eau. C'est la respiration cellulaire, une combustion lente à l'intérieur de vos cellules. Écrire et équilibrer l'équation de cette réaction.

Le charbon de certaines centrales thermiques contient du soufre comme impureté.

1. a) Écrire et équilibrer l'équation de la combustion du soufre, au cours de laquelle se forme du dioxyde de soufre ($SO_2$).
2. b) Dans l'atmosphère, le $SO_2$ réagit avec l'eau des nuages et forme de l'acide sulfureux ($H_2SO_3$) : écrire et équilibrer cette réaction.
3. c) Relier ces faits au phénomène des pluies acides et expliquer pourquoi de nombreuses centrales installent des « désulfureurs » dans leurs cheminées.

Des fusées comme Ariane utilisent du dihydrogène liquide comme combustible, qui brûle ainsi : $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$.

1. a) Pourquoi dit-on que le dihydrogène est un combustible « propre » au moment de la combustion ?
2. b) Calculer combien de moles d'eau se forment lors de la combustion de $5\ \text{mol}$ de dihydrogène.
3. c) Aujourd'hui, la plus grande partie du dihydrogène est fabriquée à partir de gaz naturel, par un procédé qui émet du $CO_2$ (hydrogène « gris »), mais il peut aussi être fabriqué par électrolyse de l'eau avec de l'électricité renouvelable (hydrogène « vert »). Expliquer selon quel critère on distingue ces deux hydrogènes et pourquoi un seul des deux aide réellement à lutter contre le changement climatique.

Une voiture à essence émet en moyenne $120\ \text{g}$ de $CO_2$ par kilomètre et une voiture diesel, $105\ \text{g}$ par kilomètre.

1. a) Calculer les émissions de chacune lors d'un trajet de $250\ \text{km}$.
2. b) La voiture à essence effectue ce trajet avec $4$ passagers et la voiture diesel, un autre jour, avec le conducteur seul. Calculer les émissions par passager dans chaque cas et commenter le résultat.

La suie qui s'accumule dans les cheminées est du carbone qui n'a pas complètement brûlé.

1. a) Écrire l'équation équilibrée de la combustion complète du carbone, qui forme du dioxyde de carbone.
2. b) Écrire l'équation équilibrée de sa combustion incomplète lorsqu'il se forme du monoxyde de carbone.
3. c) Comparer le dioxygène consommé par chacune pour $2$ atomes de carbone et expliquer pourquoi la suie et le $CO$ apparaissent quand l'air vient à manquer.

Le pot catalytique d'une voiture transforme une partie des gaz toxiques du tuyau d'échappement en gaz moins nocifs avant de les rejeter dans l'air, comme le montre le schéma.

L'une de ces réactions est $2\ CO + O_2 \rightarrow 2\ CO_2$.

1. a) Expliquer ce qui arrive au monoxyde de carbone dans cette réaction et pourquoi cela améliore la qualité de l'air de la ville.
2. b) Malgré cela, le $CO_2$ qui sort de l'échappement reste un problème : expliquer lequel.
3. c) Une autre réaction du pot catalytique est $2\ NO \rightarrow N_2 + O_2$. Vérifier qu'elle est équilibrée et justifier pourquoi elle est bénéfique pour l'air que nous respirons.

L'équation équilibrée de la combustion du propane est $C_3H_8 + 5\ O_2 \rightarrow 3\ CO_2 + 4\ H_2O$.

1. a) Combien de molécules de dioxygène faut-il pour brûler une molécule de propane ?
2. b) Combien de moles de dioxygène faut-il pour brûler $0,4\ \text{mol}$ de propane ?
3. c) Combien de moles de dioxyde de carbone se formeront dans ce cas ?

Le charbon de bois d'un barbecue est presque du carbone pur et sa combustion complète est $C + O_2 \rightarrow CO_2$.

1. a) Combien de moles de dioxyde de carbone se forment lors de la combustion de $3\ \text{mol}$ de carbone ?
2. b) Les masses molaires du carbone et du dioxyde de carbone sont respectivement $12\ \text{g/mol}$ et $44\ \text{g/mol}$. Calculer combien de grammes de $CO_2$ sont émis lors de la combustion de $36\ \text{g}$ de charbon.

Deux combustibles très utilisés sont le charbon (presque du carbone pur) et le gaz naturel (presque du méthane pur).

1. a) Écrire, équilibrées, les combustions complètes du carbone et du méthane.
2. b) Comparer le nombre de moles de $CO_2$ émises par chacun pour une mole de combustible brûlée.
3. c) Sachant en outre que brûler $1\ \text{mol}$ de méthane libère nettement plus d'énergie que brûler $1\ \text{mol}$ de carbone, justifier pourquoi remplacer le charbon par du gaz naturel dans une centrale réduit les émissions de $CO_2$ par kilowattheure produit.

Une bouteille de gaz de camping contient $5,8\ \text{kg}$ de butane ($C_4H_{10}$, masse molaire $58\ \text{g/mol}$) et sa combustion complète est $2\ C_4H_{10} + 13\ O_2 \rightarrow 8\ CO_2 + 10\ H_2O$.

1. a) Calculer la quantité de matière de butane contenue dans la bouteille.
2. b) Calculer la quantité de matière de $CO_2$ émise lors de la combustion de la bouteille entière.
3. c) Avec la masse molaire du $CO_2$, $44\ \text{g/mol}$, calculer les kilogrammes de $CO_2$ émis et commenter pourquoi ces émissions sont préoccupantes même si la combustion est complète.

Le méthane peut brûler de deux façons selon la quantité de dioxygène disponible.

1. a) Écrire les équations équilibrées de sa combustion complète (produits $CO_2$ et $H_2O$) et de sa combustion incomplète lorsqu'il se forme du monoxyde de carbone ($CO$) et de l'eau.
2. b) Calculer combien de moles de $O_2$ consomme chacune pour $2\ \text{mol}$ de méthane.
3. c) À l'aide de ces nombres, expliquer pourquoi une cuisinière à gaz allumée longtemps dans une petite pièce non aérée peut finir par produire du monoxyde de carbone.

Une cheminée à bioéthanol brûle $92\ \text{g}$ d'éthanol ($C_2H_6O$, masse molaire $46\ \text{g/mol}$) au cours d'une soirée.

1. a) Écrire et équilibrer l'équation de sa combustion complète.
2. b) Calculer la quantité de matière d'éthanol brûlé et la quantité de matière de dioxygène consommé.
3. c) Avec la masse molaire du $O_2$, $32\ \text{g/mol}$, calculer la masse de dioxygène consommé dans la pièce et commenter pourquoi le fabricant recommande d'aérer la pièce.