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Combustions du carbone et des hydrocarbures

Étudier les combustions complètes et incomplètes.

Chimie 5ème Chapitre 5 / 7 ⏱ 6 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Écrire le bilan d'une combustion en toutes lettres
  • Identifier les produits par des tests
  • Expliquer le danger du monoxyde de carbone

Tu as déjà vu une bougie qui brûle, un feu de bois qui crépite dans un foyer, ou la petite flamme bleue d'une gazinière. Toutes ces flammes ont un point commun : ce sont des combustions, des réactions chimiques qui libèrent de la chaleur et de la lumière. Dans ce chapitre, tu vas comprendre ce qui se passe vraiment quand le carbone (le charbon de bois) ou un hydrocarbure (le butane, le méthane) brûle : quels produits se forment, comment les reconnaître avec des tests simples, et pourquoi une combustion mal réglée peut devenir un danger mortel.

Tu sais déjà que l'air contient du dioxygène, et que le dioxygène est nécessaire à une flamme (souviens-toi du test de la bûchette incandescente qui se ranime). Tu vas aller plus loin : écrire le bilan complet d'une combustion, distinguer une combustion complète d'une combustion incomplète, et surtout comprendre pourquoi le monoxyde de carbone, un gaz invisible et sans odeur, tue chaque année des familles entières — souvent à cause d'un simple brasero allumé dans une pièce fermée pour se réchauffer.

Ce chapitre n'est donc pas seulement un chapitre de chimie : c'est un chapitre qui peut te sauver la vie, à toi et à ta famille. Apprends-le sérieusement, jusqu'au bout.

1Combustion du carbone

Une combustion est une réaction chimique rapide, qui dégage de la chaleur et souvent de la lumière (une flamme, ou une braise incandescente). Mais une combustion ne démarre jamais toute seule : il faut réunir trois conditions en même temps.

Définition — le triangle du feu

Une combustion nécessite trois éléments réunis en même temps :

  • un combustible : la matière qui brûle (charbon de bois, butane, bois, essence…) ;
  • un comburant : le gaz qui permet la combustion, presque toujours le dioxygène O2\text{O}_2 de l'air ;
  • une source de chaleur : une étincelle, une flamme, une braise, qui déclenche la réaction.

Si l'un des trois manque, la combustion s'arrête ou ne démarre pas : c'est le triangle du feu.

Comburant dioxygène O₂ de l'air Combustible charbon, gaz, bois… Source de chaleur flamme, étincelle, braise FEU chaleur + lumière Il suffit de supprimer un seul des trois côtés pour éteindre le feu.
Figure 1 — Le triangle du feu : combustible, comburant et source de chaleur doivent être réunis pour qu'une combustion démarre.

Ce triangle explique aussi comment on éteint un feu : il suffit de supprimer un seul des trois côtés.

Exemple — trois façons d'éteindre une braise de charbon
  • verser de l'eau dessus : on supprime la chaleur (l'eau refroidit) ;
  • étouffer la braise sous du sable ou une couverture : on prive la braise de comburant (plus de dioxygène) ;
  • retirer les morceaux de charbon du foyer : on supprime le combustible.

1.1  Observer la combustion du carbone

Le charbon de bois est constitué presque uniquement de carbone. Voyons ce qui se passe quand on le brûle dans du dioxygène pur.

Méthode — observer la combustion du carbone dans le dioxygène

On chauffe un petit morceau de charbon de bois, fixé au bout d'un fil de fer, jusqu'à obtenir une braise incandescente (rouge). On plonge alors rapidement cette braise dans un flacon rempli de dioxygène pur.

1. On chauffe le charbon jusqu'à obtenir une braise braise au bout d'un fil de fer on plonge 2. On plonge la braise dans le dioxygène O₂ elle brille beaucoup plus vivement
Figure 2 — Montage : une braise de charbon plongée dans du dioxygène pur brille beaucoup plus fort que dans l'air.

Observation : la braise, qui rougissait doucement dans l'air, se met à briller beaucoup plus fort dès qu'elle touche le dioxygène pur — presque comme une petite étincelle vive. Le carbone du charbon réagit violemment avec le dioxygène : c'est une combustion.

1.2  Le bilan de la combustion du carbone

Après la réaction, le gaz produit trouble l'eau de chaux (tu verras ce test en détail au § 5) : ce gaz est du dioxyde de carbone.

Exemple — bilan de la combustion du carbone

Bilan en toutes lettres :

carbone + dioxygène → dioxyde de carbone

Équation chimique :

  1. C+O2→CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2
  2. à gauche : 11 atome de carbone et 22 atomes d'oxygèneon compte les atomes de chaque côté de la flèche
  3. à droite : 11 atome de carbone et 22 atomes d'oxygène
  4. doncl'équation est ajustée : même nombre de chaque atome des deux côtés
Attention

Ne confonds pas trois mots qui se ressemblent : le carbone C\text{C} est le solide noir qui brûle (dans le charbon) ; le dioxygène O2\text{O}_2 est le gaz de l'air qui permet la combustion ; le dioxyde de carbone CO2\text{CO}_2 est le gaz produit par la réaction. Trois noms, trois substances différentes !

2Combustion du butane et du méthane

Le butane est le gaz des briquets et des bonbonnes de cuisine ; le méthane est le gaz naturel (« gaz de ville ») et aussi le gaz du biogaz produit par les déchets. Ce sont deux hydrocarbures.

Définition

Un hydrocarbure est une molécule formée uniquement d'atomes de carbone et d'atomes d'hydrogène. Le méthane a pour formule CH4\text{CH}_4 ; le butane a pour formule C4H10\text{C}_4\text{H}_{10}.

Contrairement au carbone seul, un hydrocarbure contient aussi de l'hydrogène. Sa combustion complète produit donc deux substances : du dioxyde de carbone et de l'eau.

2.1  Combustion complète du méthane

Exemple — ajuster l'équation du méthane

Bilan en toutes lettres :

méthane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau

  1. CH4+O2→CO2+H2O\text{CH}_4 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}équation à ajuster
  2. 11 atome de carbone à gauche ⇒\Rightarrow coefficient 11 devant CO2\text{CO}_2
  3. 44 atomes d'hydrogène à gauche ⇒\Rightarrow coefficient 22 devant H2O\text{H}_2\text{O}2×2=42 \times 2 = 4 atomes H
  4. à droite : 2+2=42 + 2 = 4 atomes d'oxygène ⇒\Rightarrow coefficient 22 devant O2\text{O}_2
  5. d'oùCH4+2O2→CO2+2H2O\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}

2.2  Combustion complète du butane

Exemple — ajuster l'équation du butane
  1. C4H10+O2→CO2+H2O\text{C}_4\text{H}_{10} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}équation à ajuster
  2. 44 atomes de carbone à gauche ⇒\Rightarrow coefficient 44 devant CO2\text{CO}_2
  3. 1010 atomes d'hydrogène à gauche ⇒\Rightarrow coefficient 55 devant H2O\text{H}_2\text{O}5×2=105 \times 2 = 10 atomes H
  4. à droite : 4×2+5=134 \times 2 + 5 = 13 atomes d'oxygène, soit 6,56{,}5 molécules O2\text{O}_2
  5. on double tout2C4H10+13O2→8CO2+10H2O2\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\text{O}_2 \rightarrow 8\text{CO}_2 + 10\text{H}_2\text{O}pour obtenir des coefficients entiers
Attention

On ne peut jamais laisser un coefficient fractionnaire (comme 6,56{,}5) dans une équation chimique définitive. S'il en apparaît un, on double tous les coefficients de l'équation pour retrouver des nombres entiers.

Chimie & Co — Le gaz des marais

En 1776, le physicien italien Alessandro Volta explore les marais du lac Majeur, en Italie. Il remarque que des bulles de gaz remontent de la vase quand on l'agite, et que ce gaz s'enflamme facilement à l'approche d'une flamme. Il vient de découvrir le méthane, qu'il appelle « air inflammable des marais ».

Ce même gaz, produit aujourd'hui par la décomposition des déchets organiques (le biogaz), est utilisé pour cuisiner dans de nombreux foyers, et le gaz naturel extrait du sous-sol en est presque entièrement composé.

3Combustion complète et incomplète

Tu viens d'écrire des équations où le dioxygène est présent en quantité suffisante. Mais que se passe-t-il si l'air manque autour de la flamme — par exemple dans une pièce mal aérée, ou avec un brûleur mal réglé ? Le résultat de la combustion change complètement, et c'est là que commence le danger.

Définition

Une combustion est complète quand le dioxygène est en quantité suffisante : elle produit uniquement du dioxyde de carbone CO2\text{CO}_2 (et de l'eau pour un hydrocarbure). La flamme est bleue, stable, sans fumée.

Une combustion est incomplète quand le dioxygène manque : elle produit, en plus du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone CO\text{CO} — un gaz très toxique — et parfois du carbone solide non brûlé, la suie. La flamme est jaune-orangée, vacillante, et dégage une fumée noire.

Combustion complèteCombustion incomplète
Dioxygène disponibleen quantité suffisanteen quantité insuffisante
Couleur de la flammebleue, stablejaune-orangée, vacillante
Fuméeaucunefumée noire (suie)
Produits formésCO2\text{CO}_2 (+ H2O\text{H}_2\text{O} pour un hydrocarbure)+ CO\text{CO} et/ou carbone (suie)
Dangerfaible si la pièce est ventiléeélevé : gaz toxique invisible

3.1  Pourquoi le manque de dioxygène change tout

Quand le dioxygène est abondant, chaque atome de carbone peut capter deux atomes d'oxygène pour former CO2\text{CO}_2. Quand le dioxygène est rare, certains atomes de carbone ne captent qu'un seul atome d'oxygène : il se forme alors du monoxyde de carbone CO\text{CO} à la place.

Exemple — carbone : combustion complète ou incomplète

Selon la quantité de dioxygène disponible, la même braise de charbon donne deux bilans différents :

  1. dioxygène abondant : C+O2→CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2combustion complète
  2. dioxygène insuffisant : 2C+O2→2CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{CO}combustion incomplète : deux fois moins d'oxygène par atome de carbone
Exemple — méthane en combustion incomplète

Un chauffe-eau mal réglé, mal ventilé, peut produire ce bilan au lieu de la combustion complète habituelle :

2CH4+3O2→2CO+4H2O2\text{CH}_4 + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{CO} + 4\text{H}_2\text{O}

Le dioxyde de carbone a totalement disparu du bilan : tout le carbone du méthane est parti sous forme de monoxyde de carbone, le gaz toxique.

3.2  Reconnaître une combustion incomplète

Attention

Une flamme jaune ou orange au lieu de bleue, des marmites qui noircissent, des traces de suie sur un mur : ce sont les signes visibles d'une combustion incomplète. Ils signifient qu'un appareil à gaz (cuisinière, chauffe-eau) est mal réglé ou mal ventilé, et qu'il faut le faire vérifier sans attendre par un professionnel.

4Monoxyde de carbone : danger

Le monoxyde de carbone, noté CO\text{CO}, est le produit le plus dangereux d'une combustion incomplète. Chaque année, en Afrique comme ailleurs, des familles entières sont intoxiquées — parfois mortellement — sans avoir rien senti ni rien vu venir. Comprendre ce gaz, c'est apprendre à s'en protéger.

Définition

Le monoxyde de carbone CO\text{CO} est un gaz incolore (invisible), inodore (sans aucune odeur) et sans goût. On ne peut donc jamais le détecter avec ses propres sens : ni le voir, ni le sentir, ni le goûter. C'est un gaz extrêmement toxique, même en petite quantité dans l'air respiré.

4.1  Pourquoi le monoxyde de carbone est-il si dangereux

Quand on respire, le dioxygène de l'air se fixe sur une molécule du sang, l'hémoglobine, qui le transporte vers toutes les cellules du corps. Le monoxyde de carbone se fixe sur cette même molécule, mais beaucoup plus fortement que le dioxygène — et il prend sa place. Le sang transporte alors de moins en moins de dioxygène vers les organes, qui finissent par en manquer gravement : c'est l'asphyxie, de l'intérieur du corps, sans que la victime s'en rende compte tout de suite.

Exemple — reconnaître les symptômes d'une intoxication légère

Maux de tête, vertiges, nausées, fatigue inhabituelle, envie de dormir : si plusieurs membres d'une même famille présentent ces symptômes en même temps, dans une pièce où fonctionne un appareil à combustion (brasero, chauffe-eau, groupe électrogène), il faut immédiatement sortir à l'air libre et aérer, puis consulter un médecin.

Exemple — une situation à risque très fréquente

Une famille allume un brasero de charbon de bois dans une chambre, portes et fenêtres fermées, pour se protéger du froid pendant la nuit. Le charbon brûle lentement, sans assez de dioxygène (la pièce est close) : la combustion devient incomplète et du monoxyde de carbone s'accumule dans l'air de la chambre, sans aucune odeur pour prévenir les dormeurs.

4.2  Prévenir l'intoxication

Méthode — les bons réflexes contre le monoxyde de carbone
  • Aérer chaque jour toutes les pièces, même en saison froide ;
  • ne jamais laisser un brasero allumé dans une pièce fermée, surtout pas pour dormir ;
  • moteur ou un groupe électrogène dans un garage ou un local fermé ;
  • faire vérifier chaque année les appareils à gaz (cuisinière, chauffe-eau) par un professionnel ;
  • si possible, installer un détecteur de monoxyde de carbone.
Quatre réflexes contre le monoxyde de carbone Aérer chaque jour Pas de brasero chambre fermée Pas de moteur garage fermé CO Détecteur de CO
Figure 3 — Quatre gestes simples réduisent fortement le risque d'intoxication au monoxyde de carbone à la maison.
Chimie & Co — Claude Bernard et le sang empoisonné

En 1857, le physiologiste français Claude Bernard étudie les effets du monoxyde de carbone sur des animaux. Il observe que leur sang, normalement rouge sombre, devient rouge vif même après la mort — un signe que le gaz s'est fixé sur l'hémoglobine à la place du dioxygène, l'empêchant de circuler.

Ses travaux expliquent enfin, plus de deux mille ans après les premières intoxications observées dans l'Antiquité (braseros, mines), le mécanisme exact de ce poison invisible — un mécanisme que l'on enseigne encore aujourd'hui dans les cours de chimie et de biologie.

5Produits formés et tests

Après une combustion, comment savoir avec certitude quels gaz se sont formés ? On ne peut pas se fier à l'œil : le dioxyde de carbone et l'eau (sous forme de vapeur) sont tous les deux invisibles. Il faut réaliser des tests chimiques simples, qui donnent un résultat visible et sans ambiguïté.

5.1  Test du dioxyde de carbone : l'eau de chaux

Méthode — tester la présence de dioxyde de carbone

On fait passer (« barboter ») le gaz produit par la combustion dans un tube contenant de l'eau de chaux, un liquide limpide et transparent. Si le gaz contient du dioxyde de carbone, l'eau de chaux se trouble : elle devient blanchâtre, laiteuse.

Test du dioxyde de carbone on fait barboter le gaz produit eau de chaux se trouble (blanchâtre) Test de l'eau on approche une paroi froide paroi froide buée : gouttelettes d'eau
Figure 4 — Deux tests simples : l'eau de chaux se trouble en présence de dioxyde de carbone ; de la buée se dépose en présence d'eau.
Exemple — identifier les produits de la combustion d'une bougie

Une bougie brûle. On place un verre froid retourné au-dessus de la flamme, puis on fait passer les gaz produits dans un tube d'eau de chaux.

  • de la buée se dépose sur le verre froid ⇒\Rightarrow la combustion produit de l'eau ;
  • l'eau de chaux se trouble ⇒\Rightarrow la combustion produit du dioxyde de carbone.

La cire d'une bougie est un hydrocarbure : sa combustion complète suit donc le même type de bilan que celle du butane ou du méthane.

5.2  Test de l'eau

On approche une paroi froide (un verre, une cuillère) au-dessus de la flamme : si des gouttelettes se déposent (de la buée), c'est le signe que la combustion produit de l'eau. Un test plus précis existe aussi : le sulfate de cuivre anhydre, un solide blanc, devient bleu au contact de l'eau.

Substance à identifierTestRésultat positif
Dioxygène O2\text{O}_2bûchette incandescenteelle se ranime, brûle plus vivement
Dioxyde de carbone CO2\text{CO}_2eau de chauxelle se trouble (blanchâtre)
Eau H2O\text{H}_2\text{O}paroi froide / sulfate de cuivre anhydrebuée / le solide bleuit
Exemple — un gaz mystère

Un flacon contient un gaz inconnu, produit par une combustion. On y plonge une bûchette incandescente : elle s'éteint aussitôt. On fait barboter le gaz dans l'eau de chaux : elle se trouble fortement. Que peux-tu en conclure ?

La bûchette s'éteint : ce n'est donc pas du dioxygène (il en reste peu ou pas). L'eau de chaux se trouble : le gaz contient bien du dioxyde de carbone. Ce résultat est cohérent avec un gaz issu d'une combustion, où le dioxygène a été consommé et transformé en CO2\text{CO}_2.

6Conservation de la masse

Pendant une combustion, il semble que de la matière « disparaisse » : un morceau de charbon de bois devient un petit tas de cendres, bien plus léger. Pourtant, aucune masse n'est réellement perdue. Il faut juste savoir où elle est passée.

Propriété — loi de conservation de la masse (Lavoisier)

Dans une réaction chimique se déroulant en système fermé (rien n'entre, rien ne sort), la masse totale ne change pas :

masse des réactifs (avant) = masse des produits (après)

Pour une combustion : masse du combustible + masse du dioxygène consommé = masse des produits formés.

Démonstration — l'expérience du flacon fermé

On enferme un morceau de charbon de bois et du dioxygène dans un flacon fermé, puis on pèse l'ensemble. On déclenche la combustion sans ouvrir le flacon (par exemple avec une loupe qui concentre la lumière du soleil), puis on pèse à nouveau.

Résultat : la balance affiche exactement la même masse avant et après. Rien n'a pu entrer ni sortir du flacon fermé : les atomes de carbone et d'oxygène qui étaient présents avant la réaction sont toujours là après, simplement réarrangés en molécules de dioxyde de carbone. Comme aucun atome n'apparaît ni ne disparaît, la masse totale ne peut pas changer.

Exemple — calculer une masse de produit

Un morceau de charbon de bois de masse 33 g brûle complètement, en système fermé, avec 88 g de dioxygène. Quelle est la masse de dioxyde de carbone formé ?

  1. m(CO2)=m(C)+m(O2)m(\text{CO}_2) = m(\text{C}) + m(\text{O}_2)conservation de la masse
  2. ==3+83 + 8
  3. ==1111 g
Exemple — retrouver une masse manquante

La combustion complète d'une masse de butane produit 29,729{,}7 g de dioxyde de carbone et 16,916{,}9 g d'eau. Sachant que 6,56{,}5 g de butane ont réagi, calcule la masse de dioxygène consommée.

  1. m(C4H10)+m(O2)=m(CO2)+m(H2O)m(\text{C}_4\text{H}_{10}) + m(\text{O}_2) = m(\text{CO}_2) + m(\text{H}_2\text{O})
  2. 6,5+m(O2)=29,7+16,96{,}5 + m(\text{O}_2) = 29{,}7 + 16{,}9
  3. 6,5+m(O2)=46,66{,}5 + m(\text{O}_2) = 46{,}6
  4. ⇒\Rightarrowm(O2)=46,6−6,5=40,1m(\text{O}_2) = 46{,}6 - 6{,}5 = 40{,}1 g
Attention

Si tu brûles du bois à l'air libre et que tu pèses les cendres restantes, tu trouveras une masse bien plus petite que celle du bois de départ. Cela ne contredit pas la loi de Lavoisier : le système n'est pas fermé. Une grande partie de la masse est partie dans l'air, sous forme de gaz invisibles (dioxyde de carbone, vapeur d'eau). Si tu pouvais peser tous les produits, y compris ces gaz échappés, tu retrouverais exactement la masse initiale.

Chimie & Co — Lavoisier et la balance

En 1774, le chimiste français Antoine Lavoisier réalise des combustions dans des récipients scellés, qu'il pèse avec une précision inédite pour l'époque. Il énonce alors un principe resté célèbre : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. »

Cette découverte met fin à la théorie du « phlogistique », qui dominait jusque-là et qui n'expliquait pas correctement les combustions. Lavoisier est aujourd'hui considéré comme le père de la chimie moderne — il mourut pourtant guillotiné en 1794, pendant la Révolution française, un an seulement après la fermeture de son laboratoire.

Fiche mémo

  • Triangle du feu : combustible + comburant (O2\text{O}_2) + source de chaleur, réunis en même temps.
  • Combustion du carbone : C+O2→CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2.
  • Combustion complète du méthane : CH4+2O2→CO2+2H2O\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}.
  • Combustion complète du butane : 2C4H10+13O2→8CO2+10H2O2\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\text{O}_2 \rightarrow 8\text{CO}_2 + 10\text{H}_2\text{O}.
  • Complète (dioxygène suffisant) : flamme bleue, produits CO2\text{CO}_2 (+ eau). Incomplète (dioxygène insuffisant) : flamme jaune, + CO\text{CO} et/ou suie.
  • Le monoxyde de carbone CO\text{CO} est incolore, inodore, très toxique : il prend la place du dioxygène dans le sang.
  • Jamais de brasero ni de moteur qui tourne dans une pièce ou un garage fermés ; toujours aérer.
  • Test du dioxygène : une bûchette incandescente se ranime.
  • Test du dioxyde de carbone : l'eau de chaux se trouble.
  • Test de l'eau : buée sur une paroi froide, ou sulfate de cuivre anhydre qui bleuit.
  • Loi de Lavoisier : en système fermé, masse des réactifs = masse des produits.
  • Un coefficient fractionnaire dans une équation ajustée doit être éliminé en doublant tous les coefficients.

7Exercices corrigés

Niveau 1 — Application directe
1

Le charbon de bois brûle dans l'air. Complète : le combustible est ……, le comburant est ……, et le produit formé est …… .

Voir le corrigé détaillé

Le combustible est le carbone (charbon de bois) ; le comburant est le dioxygène O2\text{O}_2 de l'air ; le produit formé est le dioxyde de carbone CO2\text{CO}_2.

2

Écris en toutes lettres le bilan de la combustion complète du méthane, puis l'équation chimique ajustée.

Voir le corrigé détaillé

Bilan en toutes lettres :

méthane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau

Équation ajustée :

CH4+2O2→CO2+2H2O\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}

3

Ajuste l'équation suivante de la combustion du butane : C4H10+O2→CO2+H2O\text{C}_4\text{H}_{10} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}.

Voir le corrigé détaillé
  1. 44 atomes de carbone à gauche ⇒\Rightarrow coefficient 44 devant CO2\text{CO}_2
  2. 1010 atomes d'hydrogène à gauche ⇒\Rightarrow coefficient 55 devant H2O\text{H}_2\text{O}
  3. oxygène à droite : 4×2+5=134 \times 2 + 5 = 13, soit 6,56{,}5 molécules O2\text{O}_2
  4. on double tout2C4H10+13O2→8CO2+10H2O2\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\text{O}_2 \rightarrow 8\text{CO}_2 + 10\text{H}_2\text{O}
4

Une gazinière produit une flamme bleue, sans fumée. Un vieux réchaud mal réglé produit une flamme orange qui noircit la casserole. Pour chacun, précise s'il s'agit d'une combustion complète ou incomplète, et justifie.

Voir le corrigé détaillé

La gazinière : flamme bleue, sans fumée ⇒\Rightarrow combustion complète (dioxygène suffisant).

Le vieux réchaud : flamme orange, marmite qui noircit (suie) ⇒\Rightarrow combustion incomplète (dioxygène insuffisant), avec un risque de production de monoxyde de carbone.

5

Associe chaque observation au gaz qu'elle permet d'identifier : (a) l'eau de chaux se trouble ; (b) une buée se dépose sur une paroi froide ; (c) une bûchette incandescente se ranime.

Voir le corrigé détaillé

(a) ⇒\Rightarrow dioxyde de carbone CO2\text{CO}_2. (b) ⇒\Rightarrow eau H2O\text{H}_2\text{O}. (c) ⇒\Rightarrow dioxygène O2\text{O}_2.

Niveau 2 — Approfondissement
6

Un morceau de charbon de bois de masse 55 g brûle complètement, en système fermé, avec 13,313{,}3 g de dioxygène. Calcule la masse de dioxyde de carbone formé.

Voir le corrigé détaillé
  1. m(CO2)=m(C)+m(O2)m(\text{CO}_2) = m(\text{C}) + m(\text{O}_2)conservation de la masse
  2. ==5+13,35 + 13{,}3
  3. ==18,318{,}3 g
7

Dans un garage mal ventilé, un moteur essence tourne pendant plusieurs minutes. Explique la situation en une phrase pour chacun des mots suivants : comburant, produits, danger.

Voir le corrigé détaillé

Comburant : le dioxygène du garage, peu renouvelé, devient rapidement insuffisant. Produits : la combustion devient incomplète et forme, en plus du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone CO\text{CO}. Danger : le CO\text{CO} est incolore et inodore ; il s'accumule sans que personne ne le remarque, et peut provoquer une intoxication mortelle.

8

Une bonbonne de butane alimente un réchaud. Écris l'équation ajustée de sa combustion complète, puis indique les tests qui permettraient de vérifier expérimentalement la nature des deux produits formés.

Voir le corrigé détaillé

Équation : 2C4H10+13O2→8CO2+10H2O2\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\text{O}_2 \rightarrow 8\text{CO}_2 + 10\text{H}_2\text{O}.

Pour le dioxyde de carbone : faire barboter le gaz dans l'eau de chaux, qui se trouble. Pour l'eau : approcher une paroi froide, sur laquelle de la buée se dépose (ou sulfate de cuivre anhydre, qui bleuit).

9

Pour une même quantité de combustible, la combustion du méthane CH4+2O2→CO2+2H2O\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} consomme-t-elle plus ou moins de dioxygène que celle du carbone C+O2→CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 ? Justifie à partir des équations.

Voir le corrigé détaillé

L'équation du carbone montre un coefficient 11 devant O2\text{O}_2, alors que celle du méthane montre un coefficient 22. Pour une même quantité de combustible, le méthane consomme donc deux fois plus de dioxygène que le carbone : en plus de brûler le carbone qu'il contient, il doit aussi brûler son hydrogène pour former l'eau, ce qui demande davantage de comburant.

Niveau 3 — Défi
10

Un brasero de charbon de bois est allumé dans une chambre aux fenêtres fermées, pour se réchauffer pendant la nuit.

  1. Explique pourquoi le dioxygène de la pièce devient rapidement insuffisant.
  2. Écris l'équation de la combustion incomplète du carbone qui peut alors se produire.
  3. Explique pourquoi cette situation peut être mortelle même si personne ne sent d'odeur suspecte.
  4. Propose deux mesures de prévention.
Voir le corrigé détaillé

1. La pièce est fermée : l'air, et donc le dioxygène qu'il contient, n'est pas renouvelé. Le brasero consomme peu à peu tout le dioxygène disponible, sans que rien ne vienne le remplacer.

2. Équation de la combustion incomplète :

2C+O2→2CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{CO}

3. Le monoxyde de carbone CO\text{CO} formé est incolore et inodore : aucun des sens humains ne peut le détecter. Il se fixe sur l'hémoglobine du sang à la place du dioxygène, empêchant peu à peu les organes d'être correctement oxygénés — jusqu'à l'asphyxie, sans aucun signal d'alerte perceptible.

4. Par exemple : ne jamais allumer de brasero dans une pièce fermée, surtout pas pour y dormir ; laisser une fenêtre entrouverte pour aérer en permanence si un brasero doit être utilisé.

11

Un flacon fermé, contenant du charbon de bois et du dioxygène, a une masse totale de 250250 g. On déclenche la combustion complète du charbon sans ouvrir le flacon, puis on pèse de nouveau l'ensemble.

  1. Que doit indiquer la balance, d'après la loi de Lavoisier ? Justifie.
  2. Le charbon utilisé avait une masse de 44 g et a réagi avec 10,710{,}7 g de dioxygène. Calcule la masse de dioxyde de carbone formé.
  3. Si l'on ouvrait le flacon juste après la réaction, la masse totale resterait-elle la même au cours du temps ? Explique.
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1. La balance doit indiquer exactement 250250 g, la même masse qu'avant la réaction : le flacon est un système fermé, rien n'est entré ni sorti, donc la masse totale est conservée.

2.

  1. m(CO2)=m(C)+m(O2)m(\text{CO}_2) = m(\text{C}) + m(\text{O}_2)
  2. ==4+10,74 + 10{,}7
  3. ==14,714{,}7 g

3. Non. En ouvrant le flacon, le dioxyde de carbone formé pourrait s'échapper dans l'air (ou de l'air extérieur pourrait entrer) : le système ne serait plus fermé, et la masse mesurée sur la balance pourrait alors changer, même si la masse totale de matière, à l'échelle de toute la pièce, reste conservée.

12

On réalise la combustion du méthane dans deux conditions différentes : (A) dioxygène en excès ; (B) dioxygène en quantité insuffisante.

  1. Écris l'équation de la réaction complète (A).
  2. Écris une équation possible de la réaction incomplète (B), formant du monoxyde de carbone.
  3. Un technicien observe une flamme orange et de la buée sur une vitre froide. S'agit-il de la situation (A) ou (B) ? Justifie uniquement à partir de la couleur de la flamme.
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1. CH4+2O2→CO2+2H2O\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}

2. 2CH4+3O2→2CO+4H2O2\text{CH}_4 + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{CO} + 4\text{H}_2\text{O}

3. Une flamme orange est le signe d'une combustion incomplète : c'est donc la situation (B). La buée confirme seulement la présence d'eau, produite dans les deux cas (A) et (B) ; c'est bien la couleur de la flamme, et non la buée, qui permet de trancher ici.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante
13

Une nuit froide à Ndjamena. Une famille allume un brasero de charbon de bois dans une chambre, portes et fenêtres fermées, pour se protéger du froid.

  1. Quel gaz toxique risque de se former en grande quantité si la pièce est mal aérée ?
  2. Cite deux symptômes qui doivent alerter la famille.
  3. Un détecteur de monoxyde de carbone coûte 12 50012\,500 F CFA à Ndjamena. La famille en achète un par chambre, pour 33 chambres. Calcule la dépense totale, puis explique en une phrase pourquoi c'est un bon investissement.
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1. Le monoxyde de carbone CO\text{CO}, produit par la combustion incomplète du charbon lorsque le dioxygène de la chambre vient à manquer.

2. Par exemple : maux de tête et vertiges (ou nausées, somnolence).

3.

  1. dépense =3×12 500= 3 \times 12\,500
  2. ==37 50037\,500 F CFA

C'est un bon investissement car le monoxyde de carbone est indétectable par les sens humains : sans détecteur, la famille ne saurait jamais qu'elle est en danger avant qu'il ne soit trop tard.

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Un restaurant à Dakar. Un restaurant cuisine avec une bonbonne de butane. Le brûleur est mal réglé : la flamme est orange et les marmites noircissent.

  1. De quel type de combustion s'agit-il ? Justifie avec deux observations de l'énoncé.
  2. Quel gaz toxique supplémentaire est produit, en plus du dioxyde de carbone ?
  3. Faire régler le brûleur coûte 4 0004\,000 F CFA et permet d'économiser 15 %15\,\% de gaz par mois. Une bonbonne coûte 9 5009\,500 F CFA. Le restaurant utilise 33 bonbonnes par mois. Calcule l'économie réalisée sur un mois grâce au réglage, et compare-la au coût du réglage.
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1. Combustion incomplète : la flamme orange (au lieu de bleue) et le noircissement des marmites (dépôt de suie, carbone non brûlé) en sont les deux signes.

2. Le monoxyde de carbone CO\text{CO}, gaz toxique invisible.

3.

  1. dépense mensuelle en gaz =3×9 500=28 500= 3 \times 9\,500 = 28\,500 F CFA
  2. économie =15 %×28 500= 15\,\% \times 28\,500
  3. ==0,15×28 500=4 2750{,}15 \times 28\,500 = 4\,275 F CFA par mois

L'économie mensuelle (4 2754\,275 F CFA) dépasse déjà le coût du réglage (4 0004\,000 F CFA) : le réglage est rentabilisé en moins d'un mois, en plus de supprimer le danger du monoxyde de carbone.

15

Un garage à Abidjan. Un mécanicien laisse tourner le moteur d'une voiture (essence, un hydrocarbure) dans un garage fermé, pour un diagnostic de 2020 minutes.

  1. Pourquoi cette situation est-elle dangereuse pour le mécanicien ?
  2. Que devrait-il faire avant de démarrer le moteur dans le garage ?
  3. Le garage peut installer un extracteur d'air à 45 00045\,000 F CFA. Explique en une phrase pourquoi cet investissement est indispensable, quel que soit son coût.
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1. Le moteur brûle de l'essence (un hydrocarbure). Dans un garage fermé, le dioxygène se raréfie vite : la combustion devient incomplète et produit du monoxyde de carbone, un gaz toxique invisible qui peut intoxiquer le mécanicien sans qu'il s'en aperçoive.

2. Ouvrir grand la porte du garage, ou faire fonctionner un système de ventilation, avant et pendant toute la durée où le moteur tourne.

3. Aucune somme d'argent ne compense la perte d'une vie humaine : face à un risque mortel et invisible, 45 00045\,000 F CFA représente un coût dérisoire.

📝 QCM de fin de leçon — 20 questions

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Pour qu'une combustion démarre, il faut réunir en même temps :

Explication : C'est le triangle du feu : combustible, comburant et source de chaleur doivent être réunis en même temps pour qu'une combustion démarre.

Le comburant d'une combustion, presque toujours, est :

Explication : Le comburant est le gaz qui permet la combustion : c'est presque toujours le dioxygène O2\text{O}_2 de l'air.

Pour éteindre une braise en versant de l'eau dessus, on supprime :

Explication : L'eau refroidit la braise : on supprime ainsi la source de chaleur, un des trois côtés du triangle du feu.

Le bilan de la combustion du carbone dans le dioxygène s'écrit :

Explication : Le carbone réagit avec le dioxygène pour former du dioxyde de carbone : C+O2→CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2.

Parmi le carbone, le dioxygène et le dioxyde de carbone, lequel est le gaz PRODUIT par la combustion, et non un réactif ?

Explication : Le carbone et le dioxygène sont les réactifs (ce qui réagit) ; le dioxyde de carbone est le produit formé par la réaction.

Un hydrocarbure est une molécule formée uniquement :

Explication : Un hydrocarbure est formé uniquement d'atomes de carbone et d'hydrogène, comme le méthane CH4\text{CH}_4 ou le butane C4H10\text{C}_4\text{H}_{10}.

Quelle est la formule chimique du méthane ?

Explication : Le méthane, gaz naturel, a pour formule CH4\text{CH}_4 ; le butane a pour formule C4H10\text{C}_4\text{H}_{10}.

La combustion complète d'un hydrocarbure (comme le méthane ou le butane) produit :

Explication : Un hydrocarbure contient du carbone ET de l'hydrogène : sa combustion complète produit donc du dioxyde de carbone et de l'eau.

L'équation ajustée de la combustion complète du méthane est :

Explication : Les 4 atomes H du méthane donnent 2 molécules H2O\text{H}_2\text{O} ; il faut alors 2+2=42 + 2 = 4 atomes d'oxygène à droite, soit 2 molécules O2\text{O}_2.

En ajustant l'équation de combustion du butane, on obtient un coefficient fractionnaire 6,56{,}5 devant O2\text{O}_2. Que doit-on faire ?

Explication : On ne peut jamais laisser un coefficient fractionnaire dans une équation définitive : on double tous les coefficients pour obtenir des nombres entiers.

Une combustion complète, avec dioxygène suffisant, donne une flamme :

Explication : Quand le dioxygène est en quantité suffisante, la flamme est bleue, stable, sans fumée : c'est le signe d'une combustion complète.

Une flamme jaune-orangée avec de la fumée noire (suie) est le signe :

Explication : Une flamme jaune-orangée, vacillante, avec de la fumée noire, signale une combustion incomplète : le dioxygène manque.

Le monoxyde de carbone CO\text{CO} est un gaz :

Explication : Le monoxyde de carbone est incolore, inodore et sans goût : on ne peut jamais le détecter avec ses propres sens.

Pourquoi le monoxyde de carbone est-il aussi dangereux pour le corps ?

Explication : Le CO se fixe sur l'hémoglobine du sang plus fortement que le dioxygène et prend sa place : les organes finissent par manquer d'oxygène, c'est l'asphyxie.

Quel geste permet de réduire le risque d'intoxication au monoxyde de carbone ?

Explication : Aérer chaque jour toutes les pièces renouvelle le dioxygène disponible et évite l'accumulation de monoxyde de carbone.

Comment reconnaît-on la présence de dioxyde de carbone dans un gaz ?

Explication : Le test caractéristique du dioxyde de carbone est l'eau de chaux : elle se trouble, devient blanchâtre, en présence de CO2\text{CO}_2.

Comment reconnaît-on la présence d'eau produite par une combustion ?

Explication : On approche une paroi froide au-dessus de la flamme : si des gouttelettes de buée se déposent, c'est le signe que la combustion produit de l'eau.

Comment reconnaît-on la présence de dioxygène dans un flacon ?

Explication : Le test caractéristique du dioxygène est la bûchette incandescente : elle se ranime et brûle plus vivement en présence de O2\text{O}_2.

Un morceau de charbon de 22 g brûle complètement, en système fermé, avec 66 g de dioxygène. Quelle est la masse de dioxyde de carbone formé ?

Explication : D'après la loi de Lavoisier, m(CO2)=m(C)+m(O2)=2+6=8m(\text{CO}_2) = m(\text{C}) + m(\text{O}_2) = 2 + 6 = 8 g.

Une famille achète un détecteur de monoxyde de carbone à 10 00010\,000 F CFA pour chacune de ses 33 chambres. Calcule la dépense totale.

Explication : dépense =3×10 000=30 000= 3 \times 10\,000 = 30\,000 F CFA.
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