Combustion paraffine
Observer les échanges gazeux lors de la combustion d'une bougie dans une enceinte fermée en suivant les concentrations en O₂ et CO₂ avec FizziQ Connect.
Que se passe-t-il quand une bougie brûle dans un espace clos ? Tout le monde a déjà observé qu'une bougie finit par s'éteindre sous un verre retourné, mais sait-on vraiment pourquoi ? La combustion de la paraffine est une transformation chimique : la cire de la bougie, qui monte par capillarité dans la mèche et se vaporise, réagit avec le dioxygène de l'air. Cette réaction produit du dioxyde de carbone et de l'eau, tout en libérant de la chaleur et de la lumière. Quand le dioxygène vient à manquer dans l'enceinte fermée, la flamme s'éteint. Grâce au boîtier FizziQ Connect équipé de capteurs O₂ et SCD40, tu vas pouvoir suivre en temps réel ce qui se passe dans l'air emprisonné : tu verras le dioxygène diminuer pendant que le dioxyde de carbone augmente, apportant une preuve directe que la combustion est bien une transformation chimique qui consomme des réactifs et produit de nouvelles substances.
Résumé :
L'élève place une bougie chauffe-plat dans une enceinte hermétique équipée des capteurs O₂ et SCD40 reliés au boîtier FizziQ Connect. Il relève les concentrations initiales en O₂ et CO₂, allume la bougie, ferme l'enceinte et enregistre l'évolution des concentrations jusqu'à l'extinction de la flamme. Il observe la diminution de l'O₂ et l'augmentation simultanée du CO₂, mettant en évidence une transformation chimique avec consommation de réactifs et formation de produits.
Ebene :
Autor:
Autor:
Collège
FizziQ
45
Objectif pédagogique :
- Identifier expérimentalement une transformation chimique par le suivi de grandeurs mesurables
- Mesurer l'évolution des concentrations en O₂ et CO₂ lors d'une combustion
- Distinguer réactifs (paraffine, dioxygène) et produits (dioxyde de carbone, eau) d'une combustion
- Comprendre pourquoi une bougie s'éteint dans une enceinte fermée
- Interpréter des graphiques concentration-temps pour caractériser une transformation chimique
Concepts scientifiques :
- Combustion
- Combustible et comburant
- Transformation chimique
- Réactifs et produits
- Dioxygène (O₂)
- Dioxyde de carbone (CO₂)
- Réaction exothermique
Capteurs :
- Capteur SCD40 (concentration en CO₂ en ppm, température, humidité)
- Capteur O₂ (concentration en dioxygène en %)
Matériel :
- Smartphone ou tablette avec FizziQ Connect
- Boîtier M5 Stack avec Hub multiports
- Capteur SCD40 (CO₂, température, humidité)
- Capteur O₂ (DF Robot)
- Enceinte hermétique résistante à la chaleur (bocal en verre avec couvercle étanche)
- Bougie chauffe-plat
- Briquet ou allumettes
Protocole expérimental :
Connecte les deux capteurs « SCD40 » et « O₂ (DF Robot) » par l'intermédiaire du Hub multiports au boîtier M5 Stack (port I2C rouge), puis allume le boîtier.
Si besoin, réinitialise les capteurs en cliquant sur « RESET » et valide en cliquant sur le bouton ✔. Vérifie que les 4 grandeurs s'affichent : concentration en CO₂ (ppm), température (°C), humidité (%) et concentration en O₂ (%).
Ouvre l'application FizziQ Connect sur ton smartphone et connecte-toi au boîtier M5 Stack via Bluetooth. Sélectionne « External sensors » puis le nom de ton module dans la liste.
Fixe les deux capteurs à l'intérieur de l'enceinte hermétique, en les positionnant de façon à ce qu'ils ne soient pas trop proches de la flamme (risque de chaleur excessive).
Fixe la bougie chauffe-plat au fond de l'enceinte. Vérifie que le couvercle ferme bien hermétiquement.
Avant d'allumer la bougie, relève les concentrations initiales en O₂ (environ 20,9 %) et en CO₂ (environ 400-800 ppm). Ce sont les conditions de l'air ambiant.
Dans FizziQ Connect, configure l'intervalle de mesure à 250 ms depuis le menu du boîtier M5 Stack (MENU → Intervalle → 250 ms). Lance l'enregistrement (REC).
Allume la bougie, puis ferme rapidement le couvercle de l'enceinte.
Observe en temps réel l'évolution des concentrations sur l'écran du M5 Stack ou dans FizziQ Connect. La bougie finira par s'éteindre d'elle-même quand l'O₂ sera insuffisant.
Attends encore 1 à 2 minutes après l'extinction de la bougie, jusqu'à ce que les concentrations se stabilisent, puis stoppe l'enregistrement (STOP).
Exporte les données dans FizziQ Connect : sélectionne « UART Sensor » pour l'O₂, puis « Concentration » pour le CO₂. Utilise la fonction « Dual Screen » pour afficher les deux courbes simultanément.
Analyse les graphiques : identifie les phases (avant allumage, combustion active, extinction, stabilisation) et note les valeurs initiales et finales de chaque concentration.
Résultats attendus
La concentration en O₂ diminue progressivement de 20,9 % (air ambiant) à environ 15-16 % au moment de l'extinction de la bougie. Simultanément, la concentration en CO₂ augmente fortement, passant d'environ 400-800 ppm à plus de 25 000 ppm. La bougie s'éteint lorsque la concentration en O₂ devient trop faible pour entretenir la combustion (vers 15-16 %). Après l'extinction, les concentrations se stabilisent rapidement. La température dans l'enceinte augmente pendant la combustion (réaction exothermique) puis redescend après extinction. On peut observer que la diminution de l'O₂ et l'augmentation du CO₂ ne sont pas exactement symétriques, ce qui est lié à la stœchiométrie de la réaction et aux phénomènes de combustion incomplète.
Questions scientifiques :
- Pourquoi la bougie s'éteint-elle alors qu'il reste encore du dioxygène dans l'enceinte (environ 16 %) ?
- Comment peut-on affirmer que la combustion est une transformation chimique et non un simple changement d'état ?
- Pourquoi observe-t-on de la buée sur les parois de l'enceinte après l'extinction de la bougie ?
- Que se passerait-il si l'on utilisait une enceinte deux fois plus grande ? La bougie brûlerait-elle deux fois plus longtemps ?
- Pourquoi la flamme d'une bougie a-t-elle une zone bleue en bas et une zone jaune en haut ?
Analyse scientifique
La combustion est une transformation chimique : elle transforme des réactifs (la paraffine et le dioxygène) en produits (le dioxyde de carbone et l'eau). Ce n'est pas un simple changement d'état, c'est une réorganisation des atomes en de nouvelles molécules.
La paraffine est le combustible : c'est la substance qui brûle. Le dioxygène de l'air est le comburant : c'est la substance qui permet la combustion. Sans comburant, pas de combustion, c'est pourquoi la bougie s'éteint quand l'O₂ est insuffisant.
La réaction est dite exothermique car elle libère de l'énergie sous forme de chaleur et de lumière. C'est cette énergie qui entretient la flamme et qui permet à la paraffine solide de fondre puis de se vaporiser pour continuer à brûler.
Dans l'enceinte fermée, la quantité d'air est limitée. Au fur et à mesure que la combustion consomme l'O₂, sa concentration diminue. En dessous d'environ 16 %, la combustion ne peut plus se maintenir et la flamme s'éteint. Dans l'air ambiant, la concentration normale en O₂ est de 20,9 %.
Le CO₂ produit s'accumule dans l'enceinte car il ne peut pas s'échapper. Sa concentration passe de quelques centaines de ppm (niveau normal de l'air) à plus de 25 000 ppm. Pour rappel, 1 % = 10 000 ppm, donc 25 000 ppm = 2,5 %.
La cire de bougie est de la paraffine, un mélange d'alcanes à longue chaîne carbonée. On la modélise par la formule brute C₂₅H₅₂. Sa combustion complète dans le dioxygène produit du dioxyde de carbone (CO₂) et de l'eau (H₂O).
Si la combustion est incomplète (manque d'O₂), elle produit aussi du monoxyde de carbone (CO, gaz toxique) et des particules de carbone (suie noire). C'est ce qui se produit dans la partie lumineuse de la flamme, où la paraffine gazeuse est en excès par rapport à l'O₂ disponible.
Le bas de la flamme, de couleur bleue, est la zone de combustion complète car l'apport en O₂ y est suffisant. La partie jaune et lumineuse correspond à des particules de carbone incandescentes issues de la combustion incomplète.
Variantes possibles
- Comparer la durée de combustion dans des enceintes de volumes différents pour établir un lien entre volume d'air et quantité d'O₂ disponible
- Tester la combustion d'autres combustibles (éthanol dans une coupelle, papier) et comparer les courbes O₂ et CO₂
- Enrichir l'enceinte en O₂ avant la combustion et observer l'effet sur la durée et l'intensité de la flamme
- Utiliser deux bougies simultanément et comparer avec une seule bougie dans la même enceinte
- Observer la combustion à travers un smartphone en mode vidéo pour identifier les zones de combustion complète et incomplète
FAQ
Q: La bougie s'éteint très vite, les mesures sont trop brèves.
R: L'enceinte est probablement trop petite. Utilise un bocal d'au moins 1 à 2 litres pour obtenir une combustion de 30 secondes à 1 minute. Vérifie aussi que le couvercle est bien fermé dès l'allumage.
Q: Les capteurs risquent-ils d'être endommagés par la chaleur ?
R: Positionne les capteurs le plus loin possible de la flamme, idéalement fixés au couvercle de l'enceinte. La chaleur monte, donc les capteurs placés en hauteur sont exposés, mais le temps de combustion est assez court pour éviter tout dommage si l'enceinte est suffisamment grande.
Q: Le capteur O₂ affiche des valeurs qui oscillent beaucoup.
R: Le capteur O₂ (DF Robot) a une précision limitée (± 1 %). Les oscillations sont normales. Regarde la tendance générale plutôt que les valeurs individuelles. Le capteur CO₂ (SCD40) donne des résultats plus stables et plus exploitables.
Q: Pourquoi la concentration en CO₂ continue-t-elle d'augmenter un peu après l'extinction de la flamme ?
R: La mèche continue de dégager un peu de fumée et les gaz chauds se mélangent progressivement dans l'enceinte. De plus, le capteur SCD40 a un temps de réponse d'environ 5 secondes, ce qui peut décaler légèrement les mesures.