La transformation chimique et le transfert d’énergie sous forme thermique

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Exercices
Classe(s) : Tle STI2D - Tle STL | Thème(s) : Transformation chimique et transfert d'énergie sous forme thermique

Exercice de synthèse

Énoncé

Un véhicule à essence consomme 4,8 litres de supercarburant 95 aux 100 kilomètres sur autoroute en roulant à 120 kilomètre par heure. On considère que ce carburant est constitué essentiellement de molécules de formule C8H18 dont la masse volumique est ρ = 0,76 kg.L1.

Données : les masses molaires de l’hydrogène M(H) = 1,0 g.mol1, du carbone M(C) = 12,0 g.mol1 et de l’oxygène M(O) = 16,0 g.mol1.

1. Calculer la masse m de carburant consommée sur autoroute aux 100 kilomètres.

2. Déterminer la masse molaire de la molécule C8H18 et en déduire la quantité de matière dans la masse m.

3. Écrire l’équation de combustion se produisant entre le dioxygène de l’air O2 et C8H18. Cette réaction produit de l’eau H2O et du dioxyde de carbone CO2.

4. On considère que la réaction précédente utilise 32 moles de C8H18 par 100 kilomètres et que le dioxygène est en excès. Déterminer les quantités de matière d’eau et de dioxyde de carbone produites.

5. En déduire la masse de dioxyde de carbone formée pour 100 kilomètres, puis pour un kilomètre.

6. L’enthalpie de combustion ou capacité calorifique ΔH = 45 MJ.kg1. Calculer l’énergie chimique transformée ΔE pour ce parcours de 100 kilomètres. Cette énergie sert-elle uniquement à la propulsion du véhicule ?

Corrigé

1. La masse de carburant est calculée à l’aide de la formule m = ρ.V avec ρ = 0,76 kg.L1 et V = 4,8 L. Ainsi, m = 0,76 × 4,8 = 3,6 kg. On limite le résultat à deux chiffres significatifs.

La masse m de carburant consommée sur autoroute aux 100 kilomètres vaut donc 3,6 kg.

2. La masse molaire moléculaire de la molécule C8H18, M(C8H18) est calculée à partir de celles des atomes qui le constitue : M(C8H18) = 8 M(C) + 18 M(H) = 114 g.mol1.

La quantité de matière dans la masse m vaut n =mM(C8H18). On convertit la masse en gramme m = 3,6 × 103 g, soit n = 3,6×103114= 32 mol.

3. L’équation de combustion s’obtient par conservation des éléments chimiques de part et d’autre de l’équation.

L’équation s’écrit alors C8H18 + O2 CO2 + H2O.

On assure la conservation de l’élément carbone : il y en a 8 à gauche, il en faut aussi 8 à droite, on place un coefficient stœchiométrique 8 devant CO2 :

C8H18 + O2  8 CO2 + H2O.

Il faut alors assurer la conservation de l’élément hydrogène : il y en 18 à gauche, donc il en faut 18 à droite, ce qui est obtenu en plaçant un coefficient stœchiométrique 9 devant H2O :

C8H18 + O2  8 CO2 + 9 H2O.

Il reste alors à équilibrer l’élément oxygène. On trouve 25 atomes d’oxygène à droite, il en faut alors 25 à gauche, ce qui est obtenu en plaçant un coefficient stœchiométrique sous forme de fraction 252 devant O2 : C8H18252 O2 8 CO2 + 9 H2O.

Il faut éliminer la fraction en multipliant l’équation complète par deux :

2 C8H18 + 25 O2 16 CO2 + 18 H2O.

4. Pour déterminer les quantités de matière d’eau et de dioxyde de carbone produites, il faut utiliser un tableau d’avancement. Le dioxygène est en excès.

PB_9782216133727_T_STI2D-STL_02_Phys_Chimie_Tab_0

Le carburant est en défaut, il est totalement consommé. L’avancement final vaut 16 moles.

Il y a formation de 256 moles de dioxyde de carbone

5. Il faut déterminer la masse molaire du dioxyde de carbone M(CO2) = M(C) + 2 M(O) = 44,0 g.mol1. Ensuite, on obtient la masse de dioxyde de carbone formée : m = n(CO2) × M(CO2) soit m = 256 × 44,0 = 11,2 kg pour 100 kilomètres, et donc 112 g pour un kilomètre.

6. L’énergie chimique est obtenue à partir de la masse de carburant et de l’enthalpie de combustion : ΔE = 3,6 × 45 = 1,6 × 102 MJ. Cette énergie ne sert pas uniquement à la propulsion du véhicule et est aussi transférée au milieu extérieur sous forme thermique.