Première · Physique-chimie

Combustions et énergie chimique

Chapitre 7 bis

15 questions originales à réponses multiples pour vérifier les notions, les méthodes et les points de vigilance du chapitre.

Cette série reprend les idées essentielles du chapitre Combustions et énergie chimique. Elle alterne connaissances, méthodes, conditions d’application et pièges classiques.

Comment répondre ?

Prévois une feuille et un stylo pour poser tes calculs et rédiger tes étapes. Chaque QCM propose cinq affirmations. Une ou plusieurs réponses peuvent être exactes. Coche-les, vérifie, puis ouvre la correction pour comprendre chaque proposition. Tu obtiens un point seulement si tu coches toutes les bonnes réponses, sans cocher de réponse fausse.

0 question vérifiée sur 15

Question 1

Équilibrer la combustion du méthane

Dans une flamme bien alimentée en dioxygène, on modélise la combustion complète de CH₄(g) avec CO₂(g) et H₂O(g) comme produits. Sélectionner toutes les propositions exactes.

Le dioxygène est le comburant et oxydant de cette combustion. L’équation ajustée est CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. Les deux coefficients 2 garantissent la formation de 2 g de CO₂. Pour une mole de CH₄ brûlée selon cette équation, deux moles de O₂ sont consommées. L’équation globale détaille chaque étape élémentaire de la flamme.

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Réponse attendue : A, B, D

A — Vrai. Il intervient comme réactif et son oxygène est réduit dans le bilan d’oxydoréduction ; le méthane est combustible.
B — Vrai. Un C impose un CO₂, quatre H imposent deux H₂O, et les quatre O des produits demandent deux O₂.
C — Faux. Le coefficient de CO₂ est 1 et les coefficients donnent des rapports en mol ; une masse exige la quantité et la masse molaire.
D — Vrai. Le rapport des coefficients CH₄:O₂ vaut 1:2 en quantité de matière ; il ne compare pas des masses.
E — Faux. Elle conserve les espèces et atomes entre état initial et produits retenus, sans décrire le mécanisme de combustion.

Méthode à retenir. Équilibrer C, puis H, puis O ; préciser que les coefficients décrivent des proportions de moles, pas des masses.

Question 2

Combustion complète du propane

On complète C₃H₈(g) + a O₂(g) → b CO₂(g) + c H₂O(g), en supposant la combustion complète. Sélectionner toutes les propositions exactes.

Il faut b = 4 pour conserver le carbone. Il faut a = 5 pour conserver l’oxygène. L’équation équilibrée consomme 3 O₂ par propane. Le coefficient 5 exprime 5 kg de dioxygène par kilogramme de propane. Il faut c = 8 car il y a huit hydrogènes dans le propane.

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Réponse attendue : B

A — Faux. Les trois atomes C d’une molécule C₃H₈ se retrouvent dans trois CO₂ : le coefficient b doit valoir 3, pas 4.
B — Vrai. Avec b = 3 et c = 4, les produits ont 6 + 4 = 10 atomes O, donc cinq O₂.
C — Faux. C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O ; trois O₂ ne fourniraient que six O au lieu des dix nécessaires.
D — Faux. Les coefficients comparent des nombres d’entités ou des moles ; les masses se calculent ensuite avec les masses molaires.
E — Faux. Chaque H₂O contient deux H : huit H imposent c = 4 molécules d’eau.

Méthode à retenir. Partir des trois atomes C et huit H du combustible ; finir par les O des produits.

Question 3

Éthanol et phase de l’eau

Pour un bilan de liaisons gazeuses, on prend C₂H₆O(g) + O₂(g) → CO₂(g) + H₂O(g). Les états indiqués sont ceux du modèle. Sélectionner toutes les propositions exactes.

L’atome d’oxygène de C₂H₆O dispense de tout O₂. Deux CO₂ se forment par éthanol consommé dans le modèle complet. Trois H₂O se forment par éthanol consommé. Changer H₂O(g) en H₂O(l) modifierait un bilan d’énergie fondé sur les états. L’équation ajustée consomme trois O₂ par éthanol.

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Réponse attendue : B, C, D, E

A — Faux. Les produits contiennent sept O ; un seul est fourni par l’alcool, il faut encore trois O₂.
B — Vrai. Chaque molécule d’éthanol C₂H₆O contient deux atomes C, répartis dans deux CO₂.
C — Vrai. Six H dans C₂H₆O donnent trois molécules H₂O contenant deux H chacune.
D — Vrai. La condensation transfère aussi de l’énergie ; on ne mélange pas la donnée d’eau vapeur et celle d’eau liquide. Former de l'eau liquide ajoute le changement d'état à l'énergie du bilan gazeux.
E — Vrai. Deux CO₂ et trois H₂O contiennent sept O ; l’éthanol en apporte un, les six autres viennent de trois O₂.

Méthode à retenir. Conserver les atomes puis vérifier que le choix H₂O(g) reste cohérent avec le modèle énergétique employé.

Question 4

Flamme qui noircit un récipient

Une combustion produit une flamme jaune et noircit le fond d’un récipient. Aucun capteur de gaz n’a été utilisé. Sélectionner toutes les propositions exactes.

Une flamme jaune prouve que tout le carbone devient CO₂. On ne peut pas en déduire une quantité de CO produit. Un dépôt carboné est compatible avec une combustion incomplète. La couleur seule donne le pourcentage exact de combustible brûlé. Le CO est un danger d’intoxication à prendre au sérieux.

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Réponse attendue : B, C, E

A — Faux. Une flamme jaune et de la suie contredisent précisément l’hypothèse simple de combustion complète du carbone.
B — Vrai. La suie renseigne sur un dépôt ; déterminer le monoxyde de carbone demanderait une mesure spécifique.
C — Vrai. En déficit local de dioxygène, du carbone solide peut se former au lieu d’être entièrement oxydé en CO₂. Le dépôt suggère une oxydation incomplète du carbone, mais ne quantifie aucun gaz produit.
D — Faux. La couleur n’est pas un dosage quantitatif ; un bilan des réactifs et des produits demande des mesures.
E — Vrai. Une combustion incomplète peut produire ce gaz toxique ; les conditions de ventilation et un matériel conforme importent.

Méthode à retenir. Une observation de suie signale la possibilité d’une combustion incomplète, mais ne dose pas les gaz.

Question 5

Méthane avec dioxygène limité

On introduit 0,100 mol de CH₄ et 0,150 mol de O₂. On évalue d’abord le modèle de combustion complète CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. Sélectionner toutes les propositions exactes.

Le méthane est limitant car il y a moins de moles de CH₄ que de O₂. On peut affirmer que tout le carbone devient effectivement CO₂. Le dioxygène limite ce modèle de réaction complète. Le CO₂ maximal calculé dans ce modèle est 0,075 mol. Il se forme nécessairement 0,200 mol de CO₂.

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Réponse attendue : C, D

A — Faux. On rapporte chaque quantité à son coefficient : 0,100 mol contre 0,075 mol ; O₂ est limitant dans le modèle complet.
B — Faux. Une quantité de O₂ insuffisante pour brûler tout CH₄ peut aussi conduire à des produits de combustion incomplète ; le modèle n’est qu’une hypothèse.
C — Vrai. Les avancements d’épuisement sont 0,100/1 = 0,100 mol et 0,150/2 = 0,075 mol ; le second est plus petit. Le réactif limitant fixe la borne ; il resterait 0,025 mol de CH₄ dans ce modèle.
D — Vrai. Le coefficient de CO₂ est 1, d’où n(CO₂) = x_max = 0,075 mol si le bilan complet vaut.
E — Faux. La borne stœchiométrique de ce modèle est 0,075 mol de CO₂, et la réalité pourrait nécessiter une autre répartition des produits.

Méthode à retenir. Comparer n(CH₄)/1 et n(O₂)/2 ; dire que le bilan calculé est conditionnel si O₂ manque réellement.

Question 6

Propane : avancement et produit

Un brûleur reçoit 0,200 mol de C₃H₈ et 0,700 mol de O₂. On pose C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O et l’on suppose cette transformation totale dans un premier modèle. Sélectionner toutes les propositions exactes.

Le dioxygène est limitant dans le modèle posé. La quantité maximale de CO₂ calculée vaut 0,420 mol. L’avancement maximal vaut 0,140 mol. La quantité de CO₂ est 0,140 mol car son coefficient est le même que celui du propane. Il resterait 0,060 mol de propane sous ce modèle total.

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Réponse attendue : A, B, C, E

A — Vrai. Il s’épuise à x = 0,140 mol, avant le propane qui permettrait x = 0,200 mol.
B — Vrai. Chaque progression x forme trois fois x en CO₂ : 3 × 0,140 mol = 0,420 mol. Cette quantité provient du coefficient 3 du CO₂ dans l'équation, non de celui du propane.
C — Vrai. Les rapports sont 0,200/1 = 0,200 mol et 0,700/5 = 0,140 mol ; on retient le plus petit.
D — Faux. Le coefficient de CO₂ vaut 3, pas 1 : n(CO₂) = 3x = 0,420 mol.
E — Vrai. Le propane consommé vaut x = 0,140 mol ; 0,200 − 0,140 = 0,060 mol.

Méthode à retenir. Le premier rapport d’épuisement fixe x_max; le coefficient 3 multiplie la quantité de CO₂.

Question 7

Transformation observée et borne maximale

Pour une réaction écrite par mole de combustible, le tableau donne x_max = 0,050 mol, mais une mesure de produit conduit à x_f = 0,030 mol. La réaction molaire libère 800 kJ·mol⁻¹ si elle a lieu. Sélectionner toutes les propositions exactes.

Utiliser 0,050 mol surestimerait la libération de cette transformation observée. L’avancement x_f doit s’exprimer en kJ. La transformation observée n’a pas atteint la borne x_max. L’énergie libérée par le système doit être présentée comme −24 kJ. Le modèle énergétique donne 24 kJ libérés pour l’avancement observé.

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Réponse attendue : A, C, E

A — Vrai. 0,050 × 800 = 40 kJ serait une énergie maximale conditionnelle, tandis que l’avancement mesuré ne vaut que 0,030 mol. La surestimation atteindrait 40 − 24 = 16 kJ pour l'essai décrit.
B — Faux. L’avancement mesure une quantité de réaction en mol ; l’énergie est obtenue seulement après multiplication par kJ·mol⁻¹.
C — Vrai. x_f = 0,030 mol < 0,050 mol ; il serait injustifié de poser x_f = x_max.
D — Faux. La variation d’énergie du système peut être signée négativement ; l’énergie libérée est, par définition ici, la valeur positive 24 kJ.
E — Vrai. E_lib = x_f|ΔE_m| = 0,030 mol × 800 kJ·mol⁻¹ = 24 kJ.

Méthode à retenir. Distinguer la borne stœchiométrique de l’avancement final observé avant de calculer l’énergie libérée.

Question 8

Signe d’une réaction exothermique

Une réaction écrite pour une mole de combustible a ΔE_m = −890 kJ·mol⁻¹. Dans une expérience, 0,200 mol de ce combustible réagit suivant cette équation. Sélectionner toutes les propositions exactes.

Le signe négatif qualifie la diminution énergétique du système chimique selon cette convention. La chaudière reçoit nécessairement exactement 178 kJ utiles. Le produit 0,200 × (−890) doit conduire à une énergie libérée négative. L’énergie libérée dans ce modèle vaut 178 kJ. Le nombre 890 kJ·mol⁻¹ est l’énergie de tout échantillon quelle que soit sa quantité.

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Réponse attendue : A, D

A — Vrai. Une réaction exothermique cède de l’énergie au milieu ; ΔE_système est négative tandis que l’énergie libérée est positive.
B — Faux. Une part peut chauffer l’air, le support ou les gaz ; le transfert utile dépend du rendement du dispositif.
C — Faux. Ce produit donne la variation signée du système, −178 kJ ; la grandeur définie comme énergie libérée vaut +178 kJ.
D — Vrai. E_lib = n|ΔE_m| = 0,200 mol × 890 kJ·mol⁻¹ = 178 kJ.
E — Faux. Il s’agit d’énergie par mole de réaction écrite ; pour 0,200 mol, il faut multiplier, d’où 178 kJ.

Méthode à retenir. Séparer la variation signée du système et la valeur positive de l’énergie libérée au milieu.

Question 9

Estimer avec des énergies de liaison

On modélise CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(g). Données : D(C–H)=413, D(O=O)=498, D(C=O dans CO₂)=799 et D(O–H)=463 kJ·mol⁻¹. Sélectionner toutes les propositions exactes.

L’estimation donne ΔE_m ≃ −802 kJ·mol⁻¹. La réaction est endothermique puisque rompre les liaisons coûte une énergie positive. Le coût des liaisons rompues est 4 × 413 + 2 × 498 = 2 648 kJ·mol⁻¹. Les liaisons formées correspondent à 2 C=O et 4 O–H. Remplacer H₂O(g) par H₂O(l) demande d’examiner la condensation.

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Réponse attendue : A, C, D, E

A — Vrai. Liaisons formées : 2 × 799 + 4 × 463 = 3 450 kJ·mol⁻¹ ; 2 648 − 3 450 = −802 kJ·mol⁻¹. Le signe négatif signifie que former les nouvelles liaisons libère davantage que rompre les anciennes n'exige.
B — Faux. Il faut aussi compter l’énergie libérée en formant les produits ; la formation l’emporte ici, d’où ΔE_m négative.
C — Vrai. On rompt quatre liaisons C–H dans CH₄ et une O=O dans chacun des deux O₂, par mole de réaction écrite.
D — Vrai. CO₂ contient deux C=O ; les deux H₂O comptent chacune deux O–H, soit quatre O–H.
E — Vrai. Une table de liaisons moyennes en phase gazeuse n’inclut pas l’énergie transférée lors du changement d’état de l’eau.

Méthode à retenir. Dans ce modèle gazeux, somme des liaisons rompues moins somme des liaisons formées ; recompter les deux molécules d’eau.

Question 10

Du gramme au mégajoule

On brûle 120 g d’un combustible dont le pouvoir calorifique massique fourni vaut PC = 45 MJ·kg⁻¹. Sélectionner toutes les propositions exactes.

Le MJ·kg⁻¹ est une énergie rapportée à une masse. La masse brûlée est 0,120 kg. On obtient directement 5 400 MJ en calculant 120 × 45. Un récipient voisin reçoit forcément la totalité des 5,4 MJ. L’énergie libérée estimée est 5,4 MJ.

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Réponse attendue : A, B, E

A — Vrai. Multiplier par une masse en kg simplifie kg⁻¹ et fournit une énergie en MJ.
B — Vrai. 120 g × 10⁻³ kg·g⁻¹ = 0,120 kg : convertir avant la multiplication avec PC.
C — Faux. 120 est exprimé en g ; le produit direct aurait MJ·kg⁻¹·g. Après conversion, l’énergie est 5,4 MJ.
D — Faux. Le pouvoir calorifique estime l’énergie libérée ; les transferts utiles et pertes dépendent du dispositif de chauffage.
E — Vrai. E_lib = mPC = 0,120 kg × 45 MJ·kg⁻¹ = 5,4 MJ. On peut également écrire 5,4 MJ = 5 400 kJ après avoir simplifié les kilogrammes.

Méthode à retenir. La masse doit être en kg avec PC en MJ·kg⁻¹ ; le produit mPC donne l’énergie libérée en MJ.

Question 11

Énergie reçue par de l’eau

Une expérience chauffe 0,500 kg d’eau de 20,0 °C à 40,0 °C. On prend c_eau = 4,18 kJ·kg⁻¹·K⁻¹ et on ne compte ici que l’eau. Sélectionner toutes les propositions exactes.

L’eau reçoit environ 41,8 kJ. La capacité thermique massique doit s’écrire en kJ·K⁻¹ sans kg⁻¹. L’élévation de température vaut 20,0 K. Ce calcul établit exactement l’énergie dégagée par le combustible. On doit entrer 313 K − 293 K et donc une différence de 0 K.

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Réponse attendue : A, C

A — Vrai. Q_eau = mcΔT = 0,500 kg × 4,18 kJ·kg⁻¹·K⁻¹ × 20,0 K = 41,8 kJ.
B — Faux. Elle rapporte l’énergie à la masse et à l’écart de température : kJ·kg⁻¹·K⁻¹, ce que kg et K simplifient dans mcΔT.
C — Vrai. Une différence de 40,0 − 20,0 = 20,0 °C a la même valeur numérique en K pour un écart thermique.
D — Faux. Q_eau ne comptabilise ni chauffage du récipient ni transferts vers l’air ; ce n’est pas nécessairement E_lib.
E — Faux. 313 K − 293 K ≈ 20 K, cohérent avec la variation 20 °C ; une différence ne devient pas zéro en changeant d’échelle.

Méthode à retenir. La variation 20,0 °C correspond à 20,0 K ; multiplier m, c et ΔT, puis nommer ce que le calcul exclut.

Question 12

Rendement relatif à l’eau chauffée

Un brûleur consomme 1,00 g de combustible à PC = 30,0 MJ·kg⁻¹. L’eau reçoit 18,0 kJ pendant l’essai ; les autres transferts ne sont pas mesurés séparément. Sélectionner toutes les propositions exactes.

Le rendement relatif à l’eau vaut 0,600, soit 60,0 %. Ce rendement dépend de l’effet utile choisi. L’énergie chimique libérée estimée est 30,0 kJ. Dans ce bilan, 12,0 kJ ne sont pas reçus par l’eau. Les 12,0 kJ restants sont nécessairement du monoxyde de carbone.

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Réponse attendue : A, B, C, D

A — Vrai. Les deux énergies sont en kJ : η = 18,0 kJ/30,0 kJ = 0,600, sans dimension. Les 12,0 kJ restants représentent 40,0 % de l'énergie libérée dans ce bilan.
B — Vrai. Ici on choisit le chauffage de l’eau seulement ; inclure la chaleur reçue par le récipient changerait la frontière utile étudiée.
C — Vrai. 1,00 g = 0,00100 kg ; E_lib = 0,00100 kg × 30,0 MJ·kg⁻¹ = 0,0300 MJ = 30,0 kJ.
D — Vrai. La différence 30,0 − 18,0 = 12,0 kJ va vers d’autres transferts ; elle ne « disparaît » pas.
E — Faux. On parle d’énergie, en kJ, pas d’une quantité d’espèce ; les pertes peuvent être thermiques et la présence de CO demande un dosage.

Méthode à retenir. Mettre l’énergie libérée et l’énergie utile dans la même unité puis calculer η = E_utile/E_lib.

Question 13

Une émission directe calculable

On brûle complètement 0,250 mol de CH₄ selon CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. La masse molaire de CO₂ est 44,0 g·mol⁻¹. Sélectionner toutes les propositions exactes.

L’équation prouve qu’aucun autre polluant ne peut exister en pratique. La quantité de CO₂ vaut 0,500 mol à cause du coefficient 2 devant O₂. La masse directe de CO₂ est 11,0 g. Ce bilan ne couvre pas à lui seul le transport ou la fabrication du combustible. La quantité de CO₂ formée est 0,250 mol.

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Réponse attendue : C, D, E

A — Faux. Le bilan est fondé sur l’hypothèse de combustion complète ; de vraies conditions peuvent produire d’autres espèces.
B — Faux. Le coefficient de CO₂ est 1 ; celui de O₂ ne double pas la quantité de carbone produit.
C — Vrai. m(CO₂) = nM = 0,250 mol × 44,0 g·mol⁻¹ = 11,0 g.
D — Vrai. L’équation décrit la combustion sur place ; une évaluation globale demanderait d’autres étapes et données.
E — Vrai. Le rapport des coefficients CH₄:CO₂ vaut 1:1 ; si 0,250 mol de méthane brûlent complètement, elles forment 0,250 mol de CO₂.

Méthode à retenir. Passer par le coefficient stœchiométrique avant la masse de CO₂ ; préciser qu’il s’agit de l’émission directe du modèle.

Question 14

Comparer deux combustibles à service rendu égal

Deux combustibles A et B doivent fournir 10,0 MJ utiles. A a PC_A = 40 MJ·kg⁻¹ et η_A = 0,50 ; B a PC_B = 25 MJ·kg⁻¹ et η_B = 0,80. Sélectionner toutes les propositions exactes.

B doit libérer 12,5 MJ. La masse de B brûlée est 0,500 kg. La même masse prouve que les deux combustibles ont les mêmes émissions directes de CO₂. La masse de A brûlée est 0,500 kg. A doit libérer 20,0 MJ pour ce service.

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Réponse attendue : A, B, D, E

A — Vrai. E_lib,B = 10,0 MJ/0,80 = 12,5 MJ ; même service utile, rendement différent.
B — Vrai. m_B = 12,5 MJ/(25 MJ·kg⁻¹) = 0,500 kg ; des pouvoirs calorifiques différents peuvent aboutir à la même masse à service fixé. Le meilleur rendement de B compense exactement son plus faible pouvoir calorifique massique.
C — Faux. Les émissions dépendent aussi de la composition chimique et de l’équation ajustée ; elles ne se déduisent pas de la masse seule.
D — Vrai. m_A = 20,0 MJ/(40 MJ·kg⁻¹) = 0,500 kg, unités compatibles.
E — Vrai. E_lib,A = 10,0 MJ/0,50 = 20,0 MJ ; la moitié seulement est comptée utile dans ce modèle.

Méthode à retenir. Fixer la même énergie utile, puis calculer E_lib = E_utile/η et m = E_lib/PC pour chaque option.

Question 15

Protocole de calorimétrie et limites

Pour estimer le pouvoir calorifique d’un brûleur sous surveillance, on chauffe de l’eau dans un récipient ouvert et on pèse le combustible avant puis après refroidissement. Sélectionner toutes les propositions exactes.

Le quotient Q_eau/m_brûlée peut estimer un pouvoir calorifique inférieur à une valeur idéale si des pertes sont négligées. Si le récipient chauffe, l’eau ne reçoit pas toute l’énergie transférée utilement autour d’elle. La masse brûlée s’obtient par la différence des deux pesées. On peut peser immédiatement le brûleur encore chaud pour éliminer tout biais. Le dépôt de suie permet à lui seul de mesurer exactement la masse de CO émise.

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Réponse attendue : A, B, C

A — Vrai. Q_eau en kJ divisé par m en kg donne kJ·kg⁻¹ ; les transferts non captés par l’eau restent hors du numérateur. Cette valeur apparente dépend du montage ; elle n'est pas une propriété intrinsèque mesurée sans pertes.
B — Vrai. Une partie chauffe le récipient et une autre peut partir dans l’air ; Q_eau seul sous-estime normalement E_lib dans ce modèle.
C — Vrai. On soustrait la masse finale refroidie de la masse initiale du brûleur ; on ne suppose pas que tout le combustible présent au départ a réagi.
D — Faux. Une mesure sur matériel chaud peut être perturbée et pose un risque de brûlure ; le protocole prévoit le refroidissement avant la seconde pesée.
E — Faux. La suie est du carbone solide déposé ; une mesure distincte du monoxyde de carbone serait nécessaire.

Méthode à retenir. Une estimation à partir de la seule eau doit nommer la masse réellement brûlée, le récipient et les pertes.

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