Les hydrocarbures en action : identifier les produits de leur combustion et équilibrer les équations-bilans

Un hydrocarbure, formé seulement de carbone et d'hydrogène, brûle dans le dioxygène : avec assez d'air il donne du dioxyde de carbone et de l'eau, sinon il produit aussi de la suie et du monoxyde de carbone, un gaz mortel.

Objectifs

Rappeler ce qu'est un hydrocarbure et reconnaître un alcane par sa formule.
Mettre en évidence par des tests les produits de la combustion d'un hydrocarbure.
Écrire et équilibrer pas à pas l'équation-bilan d'une combustion complète.
Utiliser une équation équilibrée pour calculer un volume de dioxygène ou d'air.
Distinguer combustion complète et incomplète, et connaître les règles de sécurité.

1. Rappel : reconnaître un hydrocarbure

Un hydrocarbure est un corps composé formé uniquement de deux éléments : le carbone (C) et l'hydrogène (H). On les obtient surtout à partir du pétrole et du gaz naturel.

Les alcanes sont les hydrocarbures les plus simples. Leur formule brute générale est :

\[ \ce{C_{n}H_{2n+2}} \]

Nom	\(n\)	Formule brute	Usage courant
Méthane	1	\(\ce{CH4}\)	gaz naturel, biogaz
Éthane	2	\(\ce{C2H6}\)	présent dans le gaz naturel
Propane	3	\(\ce{C3H8}\)	gaz en bouteille
Butane	4	\(\ce{C4H10}\)	gaz en bouteille, briquets

Laquelle de ces formules est celle d'un alcane ?

\(\ce{C2H6O}\)
\(\ce{CO2}\)
\(\ce{C3H8}\)
\(\ce{H2O}\)

\(\ce{C3H8}\) ne contient que C et H et vérifie \(2n+2 = 2\times 3+2 = 8\) : c'est le propane. Les autres contiennent de l'oxygène.

2. Identifier les produits de la combustion

Une combustion est une réaction chimique entre un combustible (ici l'hydrocarbure) et un comburant (le dioxygène de l'air). Elle dégage de la chaleur et de la lumière. Pour savoir ce qu'elle produit, on réalise deux tests :

Étape 1 : on retourne un verre froid et sec au-dessus de la flamme. Des gouttelettes de buée apparaissent sur la paroi : la combustion produit de l'eau. Elle bleuit le sulfate de cuivre anhydre, qui est blanc au départ.

Étape 2 : on verse de l'eau de chaux dans le verre et on agite. L'eau de chaux, limpide au départ, se trouble : la combustion produit du dioxyde de carbone.

Quel test met en évidence le dioxyde de carbone produit par une combustion ?

Le sulfate de cuivre anhydre qui bleuit
L'eau de chaux qui se trouble
Une allumette qui se rallume
Une détonation à l'approche d'une flamme

L'eau de chaux se trouble au contact du dioxyde de carbone. Le sulfate de cuivre anhydre, lui, détecte l'eau.

3. Équilibrer une équation de combustion complète, pas à pas

Le bilan d'une combustion complète d'un hydrocarbure s'écrit toujours :

\[ \text{hydrocarbure} + \text{dioxygène} \longrightarrow \text{dioxyde de carbone} + \text{eau} \]

Une équation est équilibrée lorsqu'il y a autant d'atomes de chaque élément à gauche et à droite. On ne touche jamais aux formules : on place seulement des coefficients devant. On équilibre toujours dans l'ordre C, puis H, puis O.

Exemple résolu 1 : le méthane

Équilibre la combustion complète du méthane.

Étape 0 : écrire les formules. \(\ce{CH4 + O2 -> CO2 + H2O}\)

Étape 1 (C) : 1 atome de carbone à gauche, 1 à droite. On garde \(1\ \ce{CO2}\).

Étape 2 (H) : 4 atomes d'hydrogène à gauche ; chaque \(\ce{H2O}\) en contient 2, il faut donc \(2\ \ce{H2O}\).

Étape 3 (O) : à droite, \(2\) atomes O dans \(\ce{CO2}\) et \(2\times 1 = 2\) dans \(2\ \ce{H2O}\), soit \(4\). Chaque \(\ce{O2}\) en apporte 2 : il faut \(2\ \ce{O2}\).

Étape 4 (vérifier) : \(\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}\). C : 1 = 1 ; H : 4 = 4 ; O : 4 = 4. L'équation est équilibrée.

Exemple résolu 2 : le propane

Cherche d'abord, puis vérifie : équilibre \(\ce{C3H8 + O2 -> CO2 + H2O}\).

Voir la solution

C : 3 atomes à gauche, donc \(3\ \ce{CO2}\).
H : 8 atomes à gauche, donc \(4\ \ce{H2O}\).
O : à droite \(3\times 2 + 4\times 1 = 10\) atomes, donc \(5\ \ce{O2}\).

\[ \ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O} \]

Vérification : C : 3 = 3 ; H : 8 = 8 ; O : 10 = 10.

Exemple résolu 3 : le butane, quand on trouve une moitié

Équilibre la combustion complète du butane \(\ce{C4H10}\).

C : 4 atomes, donc \(4\ \ce{CO2}\). H : 10 atomes, donc \(5\ \ce{H2O}\).

O : à droite \(4\times 2 + 5 = 13\) atomes. Il faudrait \(\frac{13}{2}\ \ce{O2}\) : un demi n'est pas accepté comme coefficient final.

On multiplie tous les coefficients par 2 : \(\ce{2C4H10 + 13O2 -> 8CO2 + 10H2O}\).

Vérification : C : \(2\times 4 = 8\) et 8 ; H : \(2\times 10 = 20\) et \(10\times 2 = 20\) ; O : \(13\times 2 = 26\) et \(8\times 2 + 10 = 26\). C'est équilibré.

Quelle est l'équation équilibrée de la combustion complète de l'éthane \(\ce{C2H6}\) ?

\(\ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + 3H2O}\)
\(\ce{C2H6 + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O}\)
\(\ce{2C2H6 + 5O2 -> 4CO2 + 6H2O}\)
\(\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}\)

À droite : \(4\times 2 + 6 = 14\) atomes O, donc \(7\ \ce{O2}\) à gauche. C : 4 = 4 et H : 12 = 12. Les autres propositions n'ont pas le même nombre d'atomes O des deux côtés.

4. Exploiter l'équation : combien de dioxygène et d'air ?

Pour des gaz pris dans les mêmes conditions de température et de pression, les volumes sont proportionnels aux coefficients de l'équation équilibrée. Par ailleurs, l'air contient environ un cinquième de dioxygène en volume.

Exemple résolu 4 : brûler 3 litres de méthane

Quel volume de dioxygène, puis d'air, faut-il pour brûler complètement 3 L de méthane ?

Voir la solution

D'après \(\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}\), 1 volume de méthane réagit avec 2 volumes de dioxygène.

\begin{align} V(\ce{O2}) &= 2 \times 3\ \text{L} = 6\ \text{L} \\ V(\text{air}) &\approx 5 \times 6\ \text{L} = 30\ \text{L} \end{align}

Il faut environ 30 L d'air pour seulement 3 L de méthane : une pièce mal aérée manque vite de dioxygène.

D'après \(\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}\), quel volume de dioxygène faut-il pour brûler 2 L de propane ?

10 L
5 L
2,5 L
6 L

1 volume de propane réagit avec 5 volumes de dioxygène, donc \(2 \times 5 = 10\) L de dioxygène.

5. La combustion incomplète et la sécurité

Lorsque le dioxygène est insuffisant, la combustion est incomplète :

la flamme est jaune et éclairante (au lieu d'être bleue) ;
elle dépose du carbone (suie, noir de fumée) ;
elle peut produire du monoxyde de carbone \(\ce{CO}\), un gaz incolore, sans odeur et très toxique, qui peut tuer.

Exemples d'équations de combustion incomplète du méthane :

\[ \ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O} \] \[ \ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O} \]

Vérifie la seconde : C : 2 = 2 ; H : 8 = 8 ; O : 6 = \(2 + 4\).

Quel signe montre qu'une combustion est incomplète ?

Une flamme bleue sans fumée
L'eau de chaux qui reste limpide
Une flamme jaune qui noircit le fond de la marmite
L'absence de buée sur un verre froid

La flamme jaune et le dépôt noir de carbone sont les signes d'un manque de dioxygène, donc d'une combustion incomplète.

Erreurs fréquentes

Oublier l'eau parmi les produits : tout hydrocarbure contient de l'hydrogène, qui donne toujours de l'eau.
Équilibrer O en premier : l'oxygène apparaît dans deux produits ; on le garde pour la fin (ordre C, H, O).
Laisser un coefficient \(\frac{1}{2}\) : on multiplie toute l'équation par 2.
Croire que le monoxyde de carbone se sent : il est sans odeur, c'est ce qui le rend si dangereux.

Récapitulatif

Un hydrocarbure ne contient que C et H ; les alcanes ont pour formule \(\ce{C_{n}H_{2n+2}}\).
Combustion complète : hydrocarbure + dioxygène donne dioxyde de carbone (eau de chaux troublée) et eau (sulfate de cuivre anhydre bleui).
On équilibre dans l'ordre C, H, O, sans jamais modifier les formules.
Pour des gaz, les volumes sont proportionnels aux coefficients ; l'air contient environ un cinquième de dioxygène.
Combustion incomplète : flamme jaune, carbone et monoxyde de carbone toxique ; il faut toujours aérer.

Hydrocarbure

Corps formé uniquement de carbone et d'hydrogène.

Test de l'eau

Le sulfate de cuivre anhydre passe du blanc au bleu.

Test du dioxyde de carbone

L'eau de chaux se trouble.

Ordre pour équilibrer

Carbone, puis hydrogène, puis oxygène ; seuls les coefficients changent.

Combustion incomplète

Manque de dioxygène : flamme jaune, suie, monoxyde de carbone toxique.