Détermination expérimentale de l'énergie mise en jeu lors d'une réaction de combustion
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Objectif
Déterminer la chaleur de réaction de
combustion.
La chaleur de combustion est l'énergie
transférée par une mole de
combustible lorsqu'il réagit avec le
dioxygène de l'air. La réaction
étant exothermique, cette grandeur, notée
Qr et exprimée en
J.mol-1 est négative. Les
méthodes théoriques permettant de
déterminer Qr utilisent
les énergies de liaison. On peut également
obtenir cette valeur de façon expérimentale.
• On se propose ici de déterminer la chaleur de réaction de combustion de la paraffine (formule C25H52) contenue dans une bougie.
• On se propose ici de déterminer la chaleur de réaction de combustion de la paraffine (formule C25H52) contenue dans une bougie.
1. Principe
Il s'agit de chauffer un récipient rempli d'eau par
deux méthodes :
• par effet Joule en introduisant la résistance chauffante d'un thermoplongeur dans le récipient.
• grâce à la réaction de combustion, exothermique, de la paraffine contenue dans une bougie.
Si l'on chauffe le récipient de la même façon dans les deux cas, c'est à dire si l'on provoque la même élévation de la température de l'eau, on pourra dire que la chaleur reçue par effet Joule est la même que celle reçue par combustion.
Aussi, connaissant l'énergie reçue par effet Joule, on en déduira la chaleur de combustion de la paraffine.
• par effet Joule en introduisant la résistance chauffante d'un thermoplongeur dans le récipient.
• grâce à la réaction de combustion, exothermique, de la paraffine contenue dans une bougie.
Si l'on chauffe le récipient de la même façon dans les deux cas, c'est à dire si l'on provoque la même élévation de la température de l'eau, on pourra dire que la chaleur reçue par effet Joule est la même que celle reçue par combustion.
Aussi, connaissant l'énergie reçue par effet Joule, on en déduira la chaleur de combustion de la paraffine.
2. Dispositif expérimental
a. Première expérience : chauffage par
combustion
Protocole expérimental
• À l'aide d'une pince, on attache une canette de soda vide à un support.
• On introduit m' = 200 g d'eau (soit 200 mL mesurés à l'aide d'une éprouvette graduée) dans la canette.
• On plonge alors un thermomètre et l'on relève la température de θ1 l'eau : θ1 = 10 °C.
• On place ensuite une bougie sur une soucoupe et on pèse la masse m1 de l'ensemble : m1 = 35 g. On place ensuite la bougie de sorte que celle-ci soit environ à 3 cm du fond de la canette.
• On allume la bougie et on agite continuellement l'eau contenue dans le récipient à l'aide d'une baguette en verre pour homogénéiser la température.
• Lorsque la température a augmenté de 10 °C, on souffle la bougie ce qui arrête la combustion. La température finale est θ2 = 20 °C.
• On pèse l'ensemble {bougie + coupelle} et on obtient m2 = 33,8 g. La masse m de bougie qui a subit la combustion est m = m1 – m2 = 35 – 33,8 = 1,2 g.
• À l'aide d'une pince, on attache une canette de soda vide à un support.
• On introduit m' = 200 g d'eau (soit 200 mL mesurés à l'aide d'une éprouvette graduée) dans la canette.
• On plonge alors un thermomètre et l'on relève la température de θ1 l'eau : θ1 = 10 °C.
• On place ensuite une bougie sur une soucoupe et on pèse la masse m1 de l'ensemble : m1 = 35 g. On place ensuite la bougie de sorte que celle-ci soit environ à 3 cm du fond de la canette.
• On allume la bougie et on agite continuellement l'eau contenue dans le récipient à l'aide d'une baguette en verre pour homogénéiser la température.
• Lorsque la température a augmenté de 10 °C, on souffle la bougie ce qui arrête la combustion. La température finale est θ2 = 20 °C.
• On pèse l'ensemble {bougie + coupelle} et on obtient m2 = 33,8 g. La masse m de bougie qui a subit la combustion est m = m1 – m2 = 35 – 33,8 = 1,2 g.
b. Deuxième expérience : chauffage par
effet Joule
Protocole expérimental
• On reprend la même canette vide que dans l'expérience précédente pour y introduire 200 mL d'eau dans laquelle on plonge la résistance chauffante d'un thermoplongeur. On réalise en suite le circuit électrique suivant :
• On ferme le circuit tout en enclenchant simultanément un chronomètre. La résistance s'échauffe, faisant augmenter la température de l'eau. Il est nécessaire d'agiter continuellement le contenu du récipient et de contrôler l'évolution de la température à l'aide d'un thermomètre.
• On relève la tensions U = 2,0 V aux bornes du thermoplongeur ; quant à l'intensité qui le travers elle est de I = 0,50 A.
• Lorsque la température a augmenté de 10 °C, on ouvre l'interrupteur et on arrête le chronomètre. La durée correspondante est t = 8 min 30 s soit 8,5 min.
On a ainsi produit une même élévation de température de l'ensemble {eau+canette} par deux méthodes. La chaleur reçue est la même pour les deux cas.
• On reprend la même canette vide que dans l'expérience précédente pour y introduire 200 mL d'eau dans laquelle on plonge la résistance chauffante d'un thermoplongeur. On réalise en suite le circuit électrique suivant :
• On ferme le circuit tout en enclenchant simultanément un chronomètre. La résistance s'échauffe, faisant augmenter la température de l'eau. Il est nécessaire d'agiter continuellement le contenu du récipient et de contrôler l'évolution de la température à l'aide d'un thermomètre.
• On relève la tensions U = 2,0 V aux bornes du thermoplongeur ; quant à l'intensité qui le travers elle est de I = 0,50 A.
• Lorsque la température a augmenté de 10 °C, on ouvre l'interrupteur et on arrête le chronomètre. La durée correspondante est t = 8 min 30 s soit 8,5 min.
On a ainsi produit une même élévation de température de l'ensemble {eau+canette} par deux méthodes. La chaleur reçue est la même pour les deux cas.
3. Interprétation des résultats
a. Première expérience
Calculons la quantité n de paraffine
brûlée :
mol
La chaleur totale correspondant à la combustion de la bougie est Qbougie = nQr où Qr est la chaleur de combustion associée à la réaction C25H52 + 38O2 → 25CO2 + 26H2O.
Si on suppose que l'ensemble {bougie+canette+eau} est isolé, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de pertes vers l'extérieur. On peut donc écrire Qbougie + Qcanette + Qeau = 0.
Donc Qcanette + Qeau = –Qbougie = –n.Qr. (a)
La chaleur Qbougie est négative (combustion exothermique) tandis que Qcanette + Qeau est positive (l'eau et la canette s'échauffent, leur énergie interne augmente).
molLa chaleur totale correspondant à la combustion de la bougie est Qbougie = nQr où Qr est la chaleur de combustion associée à la réaction C25H52 + 38O2 → 25CO2 + 26H2O.
Si on suppose que l'ensemble {bougie+canette+eau} est isolé, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de pertes vers l'extérieur. On peut donc écrire Qbougie + Qcanette + Qeau = 0.
Donc Qcanette + Qeau = –Qbougie = –n.Qr. (a)
La chaleur Qbougie est négative (combustion exothermique) tandis que Qcanette + Qeau est positive (l'eau et la canette s'échauffent, leur énergie interne augmente).
b. Deuxième expérience
● Calculons la
puissance électrique dissipée par effet
Joule par la résistance : Pe = U ×
I. ● La
chaleur reçue par le système {canette +
eau} correspond donc à la chaleur
cédée par effet Joule (puissance ×
durée).
Donc Qcanette + Qeau = U × I × t. (b)
Donc Qcanette + Qeau = U × I × t. (b)
c. Conclusion
En assemblant les équations (a) et (b), on obtient :
n.Qr = U × I ×
t soit 
.
Application numérique :
La chaleur de combustion obtenue est proche de celle fournie par les tables (soit –150 kJ.mol-1).
.Application numérique :
La chaleur de combustion obtenue est proche de celle fournie par les tables (soit –150 kJ.mol-1).
4. Discussion
Les erreurs sur les mesures effectuées sont
nombreuses. Voici une liste (non exhaustive) de quelques
paramètres d'erreurs dont il faut tenir compte :
● les fuites thermiques sont des pertes énergétiques non prises en compte ici puisque la bougie allumée ne chauffe pas que la canette et l'eau : une partie de sa chaleur est « perdue » en chauffant l'air ambiant.
● la masse m de la bougie ne contient pas 100 % de paraffine.
● d'autres constituants de la bougie ont peut-être subi d'autres réactions de combustion parasites.
● l'homogénéisation de la température a peut-être été insuffisante.
● la tension et l'intensité n'étaient pas forcément constantes durant toute la durée du chauffage.
● la quantité d'eau chauffée n'était peut-être pas exactement identique dans les deux expériences.
● les fuites thermiques sont des pertes énergétiques non prises en compte ici puisque la bougie allumée ne chauffe pas que la canette et l'eau : une partie de sa chaleur est « perdue » en chauffant l'air ambiant.
● la masse m de la bougie ne contient pas 100 % de paraffine.
● d'autres constituants de la bougie ont peut-être subi d'autres réactions de combustion parasites.
● l'homogénéisation de la température a peut-être été insuffisante.
● la tension et l'intensité n'étaient pas forcément constantes durant toute la durée du chauffage.
● la quantité d'eau chauffée n'était peut-être pas exactement identique dans les deux expériences.
L'essentiel
La valeur de la chaleur de combustion propre à une
espèce chimique peut s'obtenir en chauffant de deux
façons cette espèce chimique. Aussi, tout en
conservant par ailleurs les mêmes conditions
d'expérimentation (récipient, espèce
chimique et volume de matière identiques dans les deux
cas), on chauffe de l'eau :
● par effet Joule ;
● par combustion.
Lorsque, par ces deux effets, la même température a été atteinte le relevé de la masse du combustible et de la durée du chauffage d'une part et les tensions et intensité avec la durée de chauffage d'autre part, permettent d'obtenir la chaleur de combustion.
Il faut néanmoins nuancer : cette méthode expérimentale et les formules qui en découlent ne tiennent pas compte des pertes énergétiques inévitables lors d'un chauffage (fuites thermiques) et d'autres paramètres peuvent également fausser la mesure.
Cette méthode permet toutefois d'approcher les chaleurs de combustion avec un bon ordre de grandeur.
● par effet Joule ;
● par combustion.
Lorsque, par ces deux effets, la même température a été atteinte le relevé de la masse du combustible et de la durée du chauffage d'une part et les tensions et intensité avec la durée de chauffage d'autre part, permettent d'obtenir la chaleur de combustion.
Il faut néanmoins nuancer : cette méthode expérimentale et les formules qui en découlent ne tiennent pas compte des pertes énergétiques inévitables lors d'un chauffage (fuites thermiques) et d'autres paramètres peuvent également fausser la mesure.
Cette méthode permet toutefois d'approcher les chaleurs de combustion avec un bon ordre de grandeur.
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