Échanges d’énergie
| Combustible | Énergie de combustion (en kJ/mol) |
|---|---|
| Méthane | 800 |
| Méthanol | 636 |
| Éthane | 1438 |
| Éthanol | 1326 |
| Butane | 2691 |
| Butan-1-ol | 2447 |
| Octane | 5200 |
| Acide stéarique |
10800 |
-
L’énergie de combustion est l’énergie libérée lors de la combustion d’une mole d’un combustible. Ce transfert thermique s’effectue sous forme de chaleur (transfert d’énergie thermique) $Q$.
-
Lorsqu’un corps incompressible (solide ou liquide) reçoit (algébriquement) la chaleur $Q$, sa température $T$ évolue de telle sorte que $$ Q = m\; c\; (T_f - T_i)$$ où $m$ est la masse du corps, $c$ sa capacité thermique (calorifique) massique, $T_f$ sa température finale et $T_i$ sa température initiale. La capacité thermique massique de l’eau vaut : $c_{\text{eau}} = \pu{4,18 J.g-1.°C-1}$.
-
L’énergie est une grandeur qui se conserve : toute perte d’énergie par un système est transférée à son environnement.
L’acide stéarique
L’acide stéarique (du grec ancien στέαρ, qui signifie suif) ou acide octadécanoïque (nom officiel) est un acide gras dont la chaîne principale comporte 18 atomes de carbone et aucune liaison covalente double : c’est un acide gras saturé. À température ambiante, il forme un solide blanc. Sa température de fusion est d’environ $\pu{70 °C}$. L’acide stéarique est abondant dans toutes les graisses animales (surtout chez les ruminants) sous la forme de l’ester tristéarate de glycérine (stéarine) ou végétales. Il est d’ailleurs le plus répandu des acides gras saturés après l’acide palmitique et avant l’acide myristique. Il a pour origine le suif. Il sert industriellement à faire des huiles, des bougies et des savons.
- Formule chimique semi-développée est : $\ce{CH3-(CH2)_{16}-COOH}$.
- Masse molaire : $M = \pu{284 g.mol-1}$.
Problématique
L’objectif de cette séance est de déterminer l’énergie de combustion de l’acide stéarique.
Protocole expérimental
Proposer et mettre en œuvre un protocole expérimental soigneusement détaillé pour répondre à la problématique.
Réponse
En utilisant le principe de conservation de l’énergie, et dans le cas idéal où il n’y aurait pas de perte thermique, on peut utiliser l’énergie de combustion de la bougie pour chauffer un volume d’eau. On mesure la masse de la bougie avant et après la combustion pour en déduire la quantité de matière d’acide stéarique brûlée. On mesure la différence de température de l’eau et par un calcul, on en déduit l’énergie qui s’est dégagée de la combustion. Le rapport des deux valeurs donne alors l’énergie de combustion en $\pu{J.mol-1}$.
- On mesure la masse initiale de la bougie : $m_{ini} = \pu{14,50 g}$.
- On mesure la température initiale de l’eau : $T_{ini} = \pu{23,0 °C}$.
- On chauffe $\pu{150,0 g}$ d’eau distillée dans une canette en aluminium à l’aide d’une bougie chauffe- plat.
- Le thermomètre est disposé dans l’eau mais pas au fond de la canette afin de ne pas fausser la mesure de la température.
- Après 15 minutes, on mesure la masse de la bougie $m_{finale} = \pu{13,60 g}$.
- On en déduit qu’une masse d’acide stéarique $m_{\text{stéarique}} = \pu{0,90 g}$ a été consommée au cours de la combustion.
- La température vaut alors $θ_{fin} = \pu{47,0 °C}$.
- On peut ainsi connaître la quantité de matière d’acide stéarique qui a été brûlé et grâce à l’élévation de température de l’eau, connaître l’énergie qui a été dégagée.
On cherche d’abord $Q$ gagnée par l’eau, et comme l’énergie reçue par l’eau est égale, aux pertes d’énergie près, à l’énergie de combustion de l’acide stéarique pour la masse de bougie brûlée, on trouve $E_{comb}$ l’énergie de combustion pour une certaine masse de bougie. Il suffit après de trouver l’énergie de combustion de l’acide stéarique $E_{comb,exp} (\text{acide stéarique})$ pour une mole de bougie.
Le résultat final est très mauvais car l’hypothèse formulée n’est pas valable : toute l’énergie cédée par la combustion de l’acide stéarique ne sert pas uniquement à chauffer l’eau !
En effet,
- une partie de cette énergie chauffe la canette ;
- une grande partie de cette énergie chauffe l’air ;
- la canette elle-même perd une partie de l’énergie qu’elle reçoit.