Combustion : suivi O₂ et CO₂
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.
Description détaillée
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. L'application FizziQ Connect affiche simultanément les deux courbes de concentration grâce à sa fonction Dual Screen et permet d'exporter les mesures pour une analyse plus fine des phases de la combustion.
Objectifs pédagogiques
- 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
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Analyseur de CO₂
- Analyseur d'O₂
Capteurs
- Capteur SCD40
- Capteur O₂
Fonctionnalités FizziQ
- Affichage Dual Screen — Affiche simultanément les courbes de concentration en O₂ et en CO₂ pendant toute la combustion.
- Export des données — Exporte les mesures de concentration pour repérer précisément les valeurs initiales et finales de chaque phase.
Matériel nécessaire
- 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
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil d'acquisition comparable.
Protocole expérimental
⚠️ Sécurité : cette expérience se fait sous la surveillance d'un adulte. Attache les cheveux longs, éloigne tout objet inflammable et manipule le briquet ou les allumettes avec précaution. Après l'expérience, laisse refroidir le bocal avant de le manipuler (le verre peut être très chaud) et ouvre-le dans une pièce aérée : les gaz de combustion peuvent contenir un peu de monoxyde de carbone, ne les respire pas directement.
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 la voie de mesure du capteur O₂ (« UART Sensor ») puis celle du capteur CO₂ (« Concentration »). Utilise la fonction « Dual Screen » pour afficher simultanément la courbe de concentration en O₂ (%) et celle de concentration en CO₂ (ppm).
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 plusieurs dizaines de milliers de ppm (typiquement plus de 25 000 ppm). Attention : le capteur SCD40 n'est spécifié en précision que sur la plage 400-2 000 ppm ; au-delà, les valeurs restent exploitables pour visualiser la tendance mais doivent être lues comme des ordres de grandeur. Par ailleurs, le SCD40 ne renouvelle sa mesure que toutes les 5 secondes environ : avec l'intervalle d'acquisition de 250 ms, la courbe de CO₂ présente des paliers en « marches d'escalier », ce qui est normal. 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 symétriques, et c'est normal : d'après l'équation de combustion complète de la paraffine (C₂₅H₅₂ + 38 O₂ → 25 CO₂ + 26 H₂O), il se forme environ 0,66 molécule de CO₂ par molécule d'O₂ consommée. Une baisse d'O₂ d'environ 5 % (soit 50 000 ppm) correspond donc au maximum à environ 33 000 ppm de CO₂ formé. La valeur mesurée, souvent un peu inférieure, s'explique par la combustion incomplète (formation de monoxyde de carbone et de suie) et par les limites de précision du capteur à haute concentration.
Questions scientifiques possibles
- 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 ?
Explications scientifiques
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), ce que résume l'équation-bilan : paraffine + dioxygène → dioxyde de carbone + eau, soit, avec le modèle C₂₅H₅₂ : C₂₅H₅₂ + 38 O₂ → 25 CO₂ + 26 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.
Pour aller plus loin : Combustion et mesure du CO₂ (Projet CO₂) décrit une expérience voisine de suivi du CO₂ près d'une flamme de bougie, avec les mêmes précautions vis-à-vis de la chaleur | La bougie dans le bocal (Fondation La main à la pâte) discute la proportionnalité entre volume de l'enceinte et durée de combustion, utile pour l'extension « enceintes de volumes différents ».
Extensions 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
Questions fréquentes
La bougie s'éteint très vite, les mesures sont trop brèves.
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.
Les capteurs risquent-ils d'être endommagés par la chaleur ?
Positionne les capteurs le plus loin possible de la flamme, de préférence sur une paroi latérale à mi-hauteur, et surtout pas juste au-dessus de la flamme : les gaz chauds montent et c'est en haut de l'enceinte que la température est la plus élevée. Avec une enceinte suffisamment grande (1 à 2 litres) et un temps de combustion court, les capteurs ne risquent rien (le SCD40 est spécifié jusqu'à environ 60 °C).
Le capteur O₂ affiche des valeurs qui oscillent beaucoup.
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.
Pourquoi la concentration en CO₂ continue-t-elle d'augmenter un peu après l'extinction de la flamme ?
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.
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