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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 Q_r et exprimée en J.mol^-1 est négative. Les méthodes théoriques permettant de déterminer Q_r 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.

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.

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.

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.

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 Q_bougie = nQ_r où Q_r 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 Q_bougie + Q_canette + Q_eau = 0.

Donc Q_canette + Q_eau = –Q_bougie = –n.Qr. (a)

La chaleur Q_bougie est négative (combustion exothermique) tandis que Q_canette + Q_eau 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 : P_e = U × I. ● La chaleur reçue par le système {canette + eau} correspond donc à la chaleur cédée par effet Joule (puissance × durée).

Donc Q_canette + Q_eau = U × I × t. (b)

c. Conclusion

En assemblant les équations (a) et (b), on obtient : n.Q_r = U × I × t soit

.

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.

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.

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