etude des combustions - jeulin.fr · etude des combustions dispositif de combustion réf : 253 091...

Etude des combustions

Réf : 253 091

Français – p 1 Version : 1108

Dispositif de combustion

Etude des combustions Dispositif de combustion Réf : 253 091

FRANÇAIS 1

1 Présentation Les combustions sont des phénomènes de la vie courante : depuis la simple allumette craquée, en passant par la flamme d’un briquet ou celle des gazinières jusqu’aux faits divers des incendies, elles occupent une place de choix pour le questionnement des élèves et le maintien de leur curiosité. A ce titre, elles méritent une attention particulière tant du point de vue du chimiste que du citoyen. Au delà des propositions faites par les élèves sur des approches expérimentales, le dispositif fourni permet de tester un champ varié de combustions : celle du carbone, de l’alcool, de la bougie en paraffine, du fer sous forme de laine ou de fil ….etc Suivant le cycle collège ou lycée, le professeur jugera de la démarche la plus appropriée pour atteindre les objectifs fixés par les programmes sur ce sujet. Observant les phénomènes dans l’air et faisant rappeler les résultats obtenus, il s’attachera à solliciter les conjectures des élèves dans le cas où on travaillerait dans une atmosphère de dioxygène. A partir des faits expérimentaux observés et des mesures quantitatives effectuées, on reviendra sur le modèle de la réaction chimique. Le thème des combustions pourra trouver aussi sa place dans un enseignement d’exploration en seconde.

2 Constitution de l’appareil Le dispositif expérimental de combustion comporte : - Un socle (1) muni de deux tiges métalliques reliées à des bornes électriques. - Une éprouvette graduée de 1000 mL en verre borosilicaté. - Une seringue de 50 mL avec robinet à trois voies et tuyau de raccord souple - Une résistance en nichrome montée sur deux pinces crocodiles (2). (Rôle de déclencheur de réaction). (à fabriquer soi-même) - Deux pinces crocodiles (3). - Un support en mica (4) (à fabriquer soi-même).

(3)

(4)

(2)

(1)


FRANÇAIS 2

3 Expériences hors combustion

3.1 Expérience préliminaire sur le transfert d’énergie de la résistance chauffante

Cet élément de l’appareil sert à déclencher les réactions chimiques. Son apport d’énergie initial viendra s’ajouter à celui dégagé par les réactions. Il faut distinguer ces deux apports. Une manière simple de le mettre en évidence est d’observer et éventuellement de mesurer la variation de volume en fonction du temps de l’air emprisonné dans l’éprouvette. On fait passer le courant quelques minutes, le niveau d’eau descend (I) puis se stabilise quand on atteint un équilibre thermique. L’énergie transférée à l’air emprisonné est égale à celle qu’il perd. On arrête le courant quelques minutes, le niveau d’eau remonte (II) au niveau initial.

3.1.1 Observations au cours du temps en (a1, b1, c1) de la variation du volume de l’air pris à la pression atmosphérique

(a1) (b1) (c1)

(I) (II)


FRANÇAIS 3

3.1.2 Etude de la variation en (a2, b2, c2) d’un volume initial de 500 mL d’air en fonction du temps

Durée (t) en s,min 0" 30" 1' 1'30 2' 3' 4' 5' 6' 7' 8' 9' 10' 15' 20' Variation du volume ΔV en div 0 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,2 6,5 6,7 6,9 7 7,8 8 Durée (t) en s,min 0" 30" 1' 1'30 2' 3' 4' 5' 6' 7' 8' 9' 10' 15' 20' Variation du volume ΔV en div 8 6 5,3 5 4,8 4 3,5 3 2,8 2,5 2,3 2,1 2 1 0,5

3.2 Remarque

Pour ramener assez rapidement le système à la température initiale, on peut soit arroser l’éprouvette avec une pipette remplie d’eau froide, soit utiliser un mouchoir imprégné d’eau froide ou de l’eau du cristallisoir (courbe en tirets bleu).

4 Expériences de combustions (carbone, bois, paraffine, alcool…)

Les combustions dans une enceinte fermée qui plus est transparente, donnent à dire sur des éventualités attendues ou pas en fonction d’un certain nombre de données. Où, comment disposer les réactifs ? Pourquoi ? A quel (s) phénomène (s) s’attend-on ? Quelle (s) prévision (s) peut-on avancer ? Quelle (s) grandeur (s) sera-t on en mesure d’évaluer ? Quel (s) produit (s) va-t on créer ? Bilan initial, évolution du système, bilan final sont à préciser et à imaginer autant que peut se faire avant de tester l’expérience. L’observation des résultats doit conduire à une série de questions auxquelles il faudra trouver une réponse.

1min 20min

ΔV en div

t en min

A B

500 mL

600 mL div A titre indicatif, pour U=6V et une résistance, ondonne un relevé de valeurs lors du chauffage (A) etdu refroidissement (B). Quand le flux d’énergie à travers l’éprouvette et l’eauest égal au flux d’énergie délivré par la résistance, leniveau de l’eau se stabilise. La température resteconstante. P,V, ont augmenté.

(a2) (b2) (c2)


FRANÇAIS 4

4.1 Le carbone

4.1.1 Combustion à l’air libre Où trouver cette "substance" dans la trousse d’un élève ? Mine de stylo à mines de diamètre 0,5 ou 0,7 (polymères ou graphite), crayon.

Mine (1) (2) (3)

G

Dans l’air, la mine de polymère (1) devientincandescente (2) quand elle est traversée par uncourant suffisant. Elle brûle en se recouvrant d’unepellicule blanchâtre puis se brise (3). Le carbone n’est pas fusible. Expérience historique d’Edison sur les filaments encarbone (bambou pyrolysé). Générateur réglé en 6V ou 12V.

Dans l’air, la résistance déclenche la combustion dugrain de fusain (~5x6)mm (2).On coupel’alimentation électrique, le fusain brûle avecincandescence et laisse à la fin un résidu spongieuxgris (3). Générateur réglé en 12V un court instant pouramener le fusain à la bonne température et chasserl’humidité résiduelle. Le fusain est hygroscopique et absorbe l’humidité del’air. Si on utilise un morceau d’électrode de pile saline1,5V (3mm). Il apparait une fumée blanche deparaffine qui s’enflamme.

Bâtonnet de fusain ( 1) (2) (3)

Petit morceau

G


FRANÇAIS 5

4.1.2 Combustion du fusain dans l’air d’une enceinte fermée (éprouvette)

Où placer le combustible pour obtenir la meilleure combustion ? En haut de l’éprouvette ? Au milieu ? Le plus bas possible ? Justifier. Comment va évoluer le niveau de l’eau dans l’éprouvette pendant la réaction, après sa fin ? Pouvait-on le prévoir à partir de l’équation bilan ?

4.1.3 Combustion du carbone dans du dioxygène Travaillera-t-on avec une atmosphère de dioxygène quasiment pur (A) ou une atmosphère fortement enrichie en dioxygène (B) ? L’aspect pratique et le déroulement expérimental sont en faveur de la deuxième solution (B). Une fois l’éprouvette « remplie d’O2 », la fermer avec la main et la retourner sur le dispositif d’allumage électrique. La première solution impliquerait de remplir d’eau entièrement l’éprouvette soit en absence du dispositif d’allumage (A) soit sur le dispositif d’allumage (il suffit d’aspirer l’air par le tube en verre, l’eau monte, mais elle aura imprégné les réactifs !) Ensuite on injectera par le même tube le dioxygène (le niveau baisse jusqu’à la graduation choisie). Lors du déclenchement de la réaction la vapeur d’eau produite ira se condenser sur les parois froides de l’éprouvette, occultant partiellement les phénomènes.

G

A

B

Air confiné

Il est à remarquer que quelque soit laposition, la réaction s’arrête assez vite,pourquoi ? La convection des gaz ne permet pas unapport ou un renouvellement rapide dedioxygène, la température baissant, laréaction s’arrête alors qu’il reste dudioxygène. On peut comparer la durée de combustionen position A ou B toutes choses égales parailleurs. La situation en B est plus favorable (lesproduits chauds montent et fontredescendre l’air (flèches)).

Enrichissement ~80 à 90%

O2

(B)

O2

(A)

~ 99% de O2

Résultat avec eau de chaux

1

2

Dioxygène à 90%

Eau Eau de chaux


FRANÇAIS 6

Première étape, on a aspiré une partie du dioxygène avec la seringue (1) pour faire monter l’eau jusqu'à une graduation donnée. On déclenche la réaction du carbone électriquement. Deuxième étape, on amène de l’eau de chaux dans l’éprouvette au dessus du niveau précédent en utilisant une deuxième seringue (2) remplie de ce liquide et munie d’un tube souple glissé sous le bec de l’éprouvette légèrement inclinée. On déclenche la réaction du carbone électriquement.

4.2 Combustion d’une bougie dans l’air libre (A), l’air confiné (B), le dioxygène ( C)

Utiliser des bougies d’anniversaire de 5x60 mm fichées dans des rondelles percées reposantes sur la plaquette en mica. Celle-ci est supportée par deux pinces crocodiles horizontales dont on règle le niveau pour assurer le contact avec la mèche résistance. Couper le courant dès que la réaction est enclenchée.

G

(A) (B) (C)

Dioxygène à 80% Résultat après le retour à l’équilibre thermique initial


FRANÇAIS 7

4.3 Combustion de l’alcool (éthanol)

Utiliser une mini lampe à alcool. Elle peut être constituée par un tube en verre ordinaire avec un bouchon à vis en aluminium (retirer le joint en caoutchouc et percer le bouchon pour le passage de la mèche (tube de 12x50 mm)). Ne pas faire l’expérience en atmosphère de dioxygène. La volatilité de l’alcool peut conduire à un mélange gazeux dans le dioxygène avec le risque d’une déflagration. On se contentera d’observer la réaction dans l’air confiné de l’éprouvette. Lors du déclenchement de la réaction, il peut y avoir un reflux de l’eau tel qu’une partie de l’air peut s’échapper. Dans ce cas, on ne pourra pas conclure.

4.4 Combustion de la laine de fer dans l’air libre, l’air confiné, le dioxygène

4.4.1 Combustion à l’air libre La laine de fer doit être constituée de brins les plus fins possibles. Par ailleurs, elle doit être « étalée » autant que faire se peut. Tout amas provoquerait un refroidissement local conduisant à cet endroit à une non combustion du fer. Si ces précautions ont été prises, on a des chances de tout brûler au moins superficiellement, ce qu’on peut vérifier aisément en examinant la couleur du produit. L’apparition de petites billes noires indique une liquéfaction et une combustion dans la masse. D’autre part, faire brûler 0,75 g de laine de fer sur une balance. Enregistrer la masse finale.

Air confiné Air

X,xx g


FRANÇAIS 8

4.4.2 Combustion dans un litre d’air confiné. Peut-on consommer tout le dioxygène présent ?

On peut mettre la masse de fer (environ 0,75 g) susceptible de consommer le volume (environ 200 mL pour un litre d’air) de dioxygène présent en s’assurant des précautions signalées précédemment. Qu’observe-t -on ? Quel volume de dioxygène a été consommé ? Comment rendre compte du résultat ? On peut mettre un excès de fer par rapport au dioxygène. Est-il possible de consommer tout le dioxygène ? Jusqu’où l’eau peut-elle monter ? Remarque : en secouant légèrement le dispositif, on peut réamorcer la combustion de certains brins.

4.4.3 Combustion dans du dioxygène Brûler la même masse de fer 0,75g dans 500 mL de dioxygène Quelles différences observe-t-on ? Quel volume de dioxygène a-t-on consommé ? En utilisant l’équation bilan et la mesure du volume précédent, déduire la masse de fer transformé en oxyde de fer ?

4.5 Combustion du fil de fer

Quelle est la longueur de 1g de fil de fer, sachant que le fil a un diamètre de 0,8 mm et que la masse volumique du fer est 7,8g/cm3 ? Prendre la longueur de fil correspondante. Mettre le fil en forme d’hélice autour d’un tube à essai. Puis le sortir en le faisant glisser. Le fixer avec l’amorce de paille de fer comme sur le schéma ci-après. Disposer sur le fond la plaque de mica protectrice.

O2 90%

Air confiné

1000 mL

500 mL


FRANÇAIS 9

Une fois l’éprouvette remplie de dioxygène, la retourner sur le dispositif d’allumage. Retirer du gaz pour amener le niveau à la graduation 500 mL. U = 12 v. Déclencher la réaction. Une goutte incandescente remonte le long de l’hélice. Tout le fer peut être consommé. Des globules incandescents tombent dans l’eau. Le niveau de l’eau monte au fur et à mesure. Quel volume de dioxygène a été consommé ? Remarque : La réussite de l’expérience est fortement liée à l’attache de l’amorce à l’extrémité du fil de fer.

5 Bilan de réactions, résultats, remarques

5.1 Carbone

1 C + 1 O2 1 CO2 + Energie C + O2 CO2 Le nombre de molécules au départ et à l’arrivée est identique. On observe que le niveau de l’eau revient à la position initiale, une fois l’énergie évacuée. Dans les mêmes conditions de température et de pression, le gaz carbonique est plus soluble (une trentaine de fois) que le dioxygène dans l’eau. On pourrait s’attendre à une montée de l’eau ce n’est pas le cas car la dissolution du gaz est très lente. Avec de l’eau de chaux, et en agitant de façon à assurer un brassage du gaz et de la surface du liquide, le précipité de carbonate de calcium s’opère. Le niveau d’eau passe nettement au dessus du niveau de départ en peu de temps.

5.2 Paraffine

La paraffine est un mélange d’alcanes de condensation supérieure ou égale à 30 : C30 H62. C30 H62 + 45,5 O2 30 CO2 + 31 H2O + Energie La réaction demande beaucoup de dioxygène. A priori, le nombre de molécules gazeuses au départ et à l’arrivée aurait augmenté entrainant une baisse du niveau de référence. Tel n’est pas le cas, car la vapeur d’eau se condense (buée sur les parois de l’éprouvette) si bien qu’on observe qu’un léger dépassement vers le haut du niveau initial. Le nombre de molécules de CO2 est inférieur à celui des molécules de dioxygène. Par ailleurs, il y a une dilution partielle du CO2 dans l’eau formée et condensée, ce qui augmente le déficit, une fois l’énergie évacuée.

Amorce

500ml

G

02-90%


FRANÇAIS 10

5.3 Alcool

L’éthanol : C2H6O C2H6O + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O + Energie La volatilité de l’alcool interdit de faire l’expérience dans du dioxygène pur. On peut faire l’expérience de penser et d’imaginer que dans ce cas, le niveau de l’eau serait monté en fin d’expérience d’un tiers si le CO2 dissous n’était pas pris en compte. L’expérience peut être menée dans l’air : dans ce cas, le niveau reste à peu près stationnaire.

5.4 Fer

Dans cette réaction, on part d’un réactif solide : le fer, d’un autre gaz : le dioxygène. Le produit obtenu est solide. Il y aura donc nécessairement montée du niveau d’eau puisqu’il y aura disparition des molécules gazeuses. 3 Fe + 2 O2 Fe3 O4 + Energie Pendant la combustion, le nombre de molécules gazeuses diminue, mais la température augmente. Quel sera le paramètre prépondérant quant à la variation de volume ? On observe que le niveau de l’eau monte, donc l’échange thermique n’est pas suffisant pour compenser la diminution du nombre de molécules. On peut mesurer la masse initiale de fer. On peut mesurer le volume de dioxygène consommé. En utilisant l’équation bilan, on peut accéder à la fraction de fer ayant réagi et à la masse d’oxyde formé. Données : Masse atomique du fer : 56 g Masse atomique de l’oxygène : 16 g Masse volumique du fer : 7,8 g/cm3 La combustion de 1g de fer nécessite environ 0,27 litre de dioxygène. Une masse de 1g de fil de fer de 0,5 mm de diamètre a approximativement une longueur de 68 cm. Pour 0,75g prendre 50cm de fil.

6 Peut-on approcher la composition de l’air à partir de cette combustion ?

Expérience non réalisée par manque de dioxygène. La réaction à froid (rouille) permet de réaliser l’analyse simplifiée de l’air mais elle demande une semaine. Qu’en est-il à chaud (combustion)?


FRANÇAIS 11

7 Autre utilisation de l’appareil : Tests pour des fils métalliques fins

On peut prendre entre les pinces crocodiles un brin de fil métallique fin 0,1 à 0,2 mm de diamètre (laiton, cuivre, zinc, fer ,alu….). Faire passer un courant intense en mettant le générateur sous 12V. Le fil est volatilisé avec un bruit sec et une fumée (oxyde formé). On illustre le principe d’un « fusible ».

8 Aspect pratique et précautions Avec une seringue de 50 mL ou même de 100 mL, les transferts gazeux sont longs et fastidieux. Une solution pratique consiste à porter le tube souple à sa bouche et à aspirer. On stérilisera après chaque usage. La résistance en nichrome ne réagit, même à chaud, que superficiellement avec le dioxygène. Alimentée en plus de 12 V, on encourt par contre sa fusion.

9 Evaluation sur la combustion de la paille de fer effectuée avec une balance Roberval (film)

Combustion du fer sur un plateau de balance Roberval. (Expérience ou éventuellement film) Sur le plateau (A) d’une balance Roberval, on a posé 1,5 g de paille de fer. On réalise avec une tare posée sur (B) l’équilibre. On observe les trois étapes de la réaction (avant- pendant- après). Le niveau des plateaux est repéré par le niveau du tiret. Le modèle moléculaire et la notion de réaction chimique seront utilisés pour expliquer les phénomènes observés.

9.1 Avant

a) Donner le nom des réactifs 1 et 2 « présents » sur le plateau A? b) Outre 1 et 2 sur le plateau A et la tare sur le plateau B, qu’est-ce qui agit de façon invisible sur les plateaux A et B aussi bien dessus que dessous ?

0 Tare

1 2

(A) (B)


FRANÇAIS 12

9.2 Pendant

c) Quel mouvement observe-t-on au début de l’expérience pour A et pour B ? d) Quelles sont les deux substances qui reçoivent l’énergie libérée par la combustion ? e) Quel phénomène invisible se produit alors au dessus du plateau A ? f) Quelle(s) hypothèse (s) faites-vous pour expliquer le déséquilibre momentané observé au début de la combustion (montée de (A)) ?

9.3 Après

g) Dessiner l’étape finale (les deux plateaux A, B, leur contenu, aiguille et tirets en prolongement des plateaux). h) Que trouve-t-on sur le plateau A : si tout le fer a brûlé ? i) Que trouve-t-on sur le plateau A si une partie du fer a brûlé ? j) Justifier le déséquilibre final qui est définitif. k) Ecrire les formules des réactifs qui produisent l’oxyde magnétique Fe3 O4 appelé aussi oxyde de Fer II et de Fer III. Fer + dioxygène + énergie Equilibrer avec des coefficients le bilan de la réaction. Donner l’énoncé du bilan de la réaction. Au départ, à l’équilibre, la masse de fer était de 1,5 g. On rajoute une masse marquée de 1 décigramme sur le plateau B pour rétablir l’équilibre rompu à la fin de la combustion. l) La masse de 1 décigramme supplémentaire apparue en (A) est due à quelle substance ? m) Sachant qu’un litre de dioxygène dans les conditions normales (CNTP) a une masse de 1,4 g. Quel volume de dioxygène a-t-on brûlé en litre et en millilitres au cours de l’expérience ?

10 Service après vente La garantie est de 2 ans, le matériel doit être retourné dans nos ateliers. Pour toutes réparations, réglages ou pièces détachées, veuillez contacter :

JEULIN - SUPPORT TECHNIQUE Rue Jacques Monod

BP 1900 27 019 EVREUX CEDEX FRANCE

0 825 563 563 * * 0,15 € TTC/ min à partir d'un poste fixe

0

Tare

etude des combustions - jeulin.fr · etude des combustions dispositif de combustion réf : 253 091...

Documents