Stœchiométrie combustion
Vérifier expérimentalement la stœchiométrie de la combustion de la paraffine en calculant le rapport entre O₂ consommé et CO₂ produit.
La combustion de la paraffine (C₂₅H₅₂) dans le dioxygène obéit à une équation chimique équilibrée : C₂₅H₅₂ + 38 O₂ → 25 CO₂ + 26 H₂O. Les nombres 1, 38, 25 et 26 sont les coefficients stœchiométriques : ils indiquent dans quelles proportions les réactifs sont consommés et les produits formés. Selon cette équation, pour chaque molécule de paraffine brûlée, 38 molécules de dioxygène sont consommées et 25 molécules de dioxyde de carbone sont produites. Le rapport théorique est donc 38/25 = 1,52 : il faut 1,52 molécule d'O₂ consommée pour chaque molécule de CO₂ formée. Mais peut-on vérifier ce rapport par l'expérience ? Grâce aux capteurs O₂ et SCD40 de FizziQ Connect, tu vas mesurer les variations de concentration en O₂ et CO₂ lors de la combustion d'une bougie dans une enceinte fermée, calculer le rapport expérimental et le comparer à la valeur théorique. Les écarts observés te mèneront à réfléchir à la notion de combustion complète et incomplète.
Résumé :
L'élève réalise plusieurs combustions d'une bougie chauffe-plat dans une enceinte hermétique équipée des capteurs O₂ et SCD40 de FizziQ Connect. Pour chaque essai, il relève les concentrations initiales et finales en O₂ et CO₂, calcule les variations ΔC(O₂) et ΔC(CO₂), puis détermine le rapport expérimental n_exp = -ΔC(O₂) × 10⁴ / ΔC(CO₂). En comparant la moyenne des rapports expérimentaux avec la valeur théorique n_att = 38/25 = 1,52, il vérifie la stœchiométrie et discute les écarts liés à la combustion incomplète.
Niveau :
Auteur :
Durée :
Collège
FizziQ
60
Objectif pédagogique :
- Interpréter une équation chimique équilibrée en termes de proportions moléculaires
- Calculer un rapport stœchiométrique théorique à partir des coefficients d'une équation
- Exploiter des mesures expérimentales pour déterminer un rapport stœchiométrique expérimental
- Comparer un résultat expérimental à une valeur théorique et analyser les écarts
- Développer un esprit critique face aux résultats expérimentaux (combustion complète vs incomplète)
Concepts scientifiques :
- Stœchiométrie
- Coefficients stœchiométriques
- Équation de réaction chimique équilibrée
- Conservation des atomes
- Combustion complète et incomplète
- Paraffine (C₂₅H₅₂)
- Monoxyde de carbone (CO)
Capteurs :
- Capteur SCD40 (concentration en CO₂ en ppm)
- 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 (plusieurs, pour les essais répétés)
- Briquet ou allumettes
- Cahier et calculatrice pour les calculs
Protocole expérimental :
Installe le dispositif expérimental : capteurs O₂ et SCD40 fixés dans l'enceinte hermétique via le Hub multiports, connectés au boîtier M5 Stack. Connecte FizziQ Connect via Bluetooth.
Avant toute combustion, note les concentrations initiales de référence dans l'air ambiant : C_ini(O₂) en % et C_ini(CO₂) en ppm.
Fixe une bougie chauffe-plat au fond de l'enceinte. Configure l'intervalle de mesure à 250 ms sur le M5 Stack (MENU → Intervalle → 250 ms).
Lance l'enregistrement (REC), allume la bougie et ferme rapidement le couvercle de l'enceinte.
Laisse la combustion se dérouler jusqu'à l'extinction de la bougie. Attends encore 1 à 2 minutes que les concentrations se stabilisent complètement.
Stoppe l'enregistrement (STOP). Relève les concentrations finales : C_fin(O₂) en % et C_fin(CO₂) en ppm.
Calcule les variations : ΔC(O₂) = C_fin(O₂) - C_ini(O₂) (valeur négative car l'O₂ diminue) et ΔC(CO₂) = C_fin(CO₂) - C_ini(CO₂) (valeur positive car le CO₂ augmente).
Calcule le rapport expérimental : n_exp = -ΔC(O₂) × 10⁴ / ΔC(CO₂). Le facteur 10⁴ convertit les % en ppm pour que les unités soient cohérentes.
Ouvre l'enceinte, ventile, replace une bougie neuve et renouvelle l'opération. Réalise entre 6 et 10 essais au total pour obtenir une série de valeurs.
Calcule la valeur moyenne n_exp,moy après avoir écarté les éventuelles valeurs aberrantes. Compare cette moyenne avec la valeur théorique n_att = 38/25 = 1,52 et discute les écarts.
Résultats attendus
Les valeurs typiques observées sont : O₂ initial ≈ 20,9 %, O₂ final ≈ 15-16 %, soit ΔC(O₂) ≈ -5 %. CO₂ initial ≈ 400-800 ppm, CO₂ final ≈ 25 000 ppm, soit ΔC(CO₂) ≈ 24 000-25 000 ppm. Le rapport expérimental n_exp est généralement supérieur à la valeur théorique de 1,52, typiquement entre 1,6 et 2,2. Cet écart s'explique par la combustion incomplète : une partie de l'O₂ consommé produit du monoxyde de carbone (CO) et des particules de carbone (suie) au lieu de CO₂, ce qui augmente le rapport O₂ consommé / CO₂ produit. La reproductibilité entre les essais est modérée en raison des fluctuations du capteur O₂ et des variations d'herméticité.
Questions scientifiques :
- Pourquoi le rapport expérimental n_exp est-il généralement supérieur à la valeur théorique n_att = 1,52 ?
- Comment la combustion incomplète modifie-t-elle le bilan en O₂ consommé et CO₂ produit ?
- Que signifie « équilibrer une équation chimique » et quel principe fondamental cela traduit-il ?
- Comment pourrait-on améliorer le protocole pour se rapprocher de la valeur théorique ?
- Si l'on réalisait la combustion dans une atmosphère de dioxygène pur, le rapport expérimental serait-il plus proche de 1,52 ? Pourquoi ?
- Pourquoi est-il important de répéter l'expérience plusieurs fois et de calculer une moyenne ?
Analyse scientifique
L'équation de la combustion complète de la paraffine s'écrit : C₂₅H₅₂ + 38 O₂ → 25 CO₂ + 26 H₂O. Elle est dite équilibrée car le nombre d'atomes de chaque élément est le même de chaque côté : 25 atomes de carbone, 52 atomes d'hydrogène et 76 atomes d'oxygène.
Les coefficients stœchiométriques (1, 38, 25, 26) indiquent les proportions moléculaires de la réaction. Ils signifient que la combustion d'une molécule de paraffine nécessite 38 molécules d'O₂ et produit 25 molécules de CO₂ et 26 molécules d'H₂O.
Le rapport théorique n_att = b/c = 38/25 = 1,52 représente le nombre de molécules d'O₂ consommées pour chaque molécule de CO₂ produite lors d'une combustion complète.
Pour calculer le rapport expérimental, il faut convertir les unités. L'O₂ est mesuré en % et le CO₂ en ppm. Comme 1 % = 10 000 ppm, on utilise la formule : n_exp = -ΔC(O₂) × 10⁴ / ΔC(CO₂). Le signe moins compense le fait que ΔC(O₂) est négatif (l'O₂ diminue).
En pratique, le rapport expérimental est souvent supérieur à 1,52. Cela signifie que plus d'O₂ est consommé que prévu par rapport au CO₂ produit. L'explication est la combustion incomplète : une partie du carbone ne forme pas du CO₂ mais du monoxyde de carbone (CO) ou reste sous forme de carbone solide (suie).
Dans la flamme d'une bougie, seule la base bleue correspond à une combustion complète. La zone jaune lumineuse contient des particules de carbone incandescentes (suie), preuve que la combustion y est incomplète par manque local d'O₂.
La conservation des atomes est le principe fondamental qui permet d'équilibrer une équation chimique. Au cours d'une transformation chimique, les atomes ne sont ni créés ni détruits : ils sont redistribués pour former de nouvelles molécules. C'est la loi de Lavoisier.
Réaliser plusieurs essais (6 à 10) et calculer une valeur moyenne permet de réduire l'influence des erreurs aléatoires. Écarter les valeurs aberrantes et estimer l'incertitude de mesure fait partie de la démarche scientifique rigoureuse.
Variantes possibles
- Réaliser la même expérience avec de l'éthanol (C₂H₆O) dont la combustion complète s'écrit C₂H₆O + 3 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O (rapport théorique n_att = 1,50) et comparer
- Faire varier le volume de l'enceinte et observer si le rapport stœchiométrique change
- Enrichir l'enceinte en O₂ avant la combustion pour favoriser la combustion complète et vérifier si n_exp se rapproche de 1,52
- Comparer les résultats obtenus avec une petite bougie et une grande bougie dans la même enceinte
- Réaliser une synthèse orale de 3 minutes présentant le contexte, la problématique, la démarche et les conclusions avec esprit critique
FAQ
Q: Le rapport n_exp varie beaucoup d'un essai à l'autre.
R: C'est normal, plusieurs facteurs introduisent de la variabilité : la précision du capteur O₂ (± 1 %), la qualité de l'herméticité de l'enceinte, la position des capteurs par rapport à la flamme, et la proportion variable de combustion complète/incomplète. C'est pourquoi il faut réaliser 6 à 10 essais et calculer une moyenne.
Q: Pourquoi faut-il multiplier ΔC(O₂) par 10⁴ dans la formule ?
R: Parce que l'O₂ est mesuré en % et le CO₂ en ppm. Pour comparer ces deux variations, il faut les exprimer dans la même unité. Comme 1 % = 10 000 ppm, on multiplie la variation en % par 10⁴ pour obtenir des ppm.
Q: Le rapport théorique devrait-il être exactement vérifié ?
R: Non, car la combustion d'une bougie n'est jamais totalement complète. Une partie du carbone forme du CO ou de la suie au lieu du CO₂, ce qui fait que le rapport O₂ consommé / CO₂ produit est supérieur au rapport théorique de la combustion complète. C'est d'ailleurs une des conclusions importantes de cette activité.
Q: Comment savoir si une valeur est « aberrante » et doit être écartée ?
R: Une valeur aberrante est une mesure qui s'écarte nettement des autres (par exemple, plus de 2 fois l'écart moyen entre les mesures). Elle est souvent due à un incident expérimental (mauvaise herméticité, capteur mal stabilisé). On la note mais on ne l'inclut pas dans le calcul de la moyenne.