Hydrocarbures et combustibles : brûler, compter, comparer

Un hydrocarbure ne contient que C et H. Un alcane acyclique, linéaire ou ramifié, est saturé et a pour formule $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$. Le mot acyclique exclut les cycles : la formule $\mathrm{C_nH_{2n}}$ peut correspondre à un alcène à une double liaison, mais aussi à un cycloalcane. Une formule brute ne fournit pas à elle seule la connectivité.

Les monoalcools saturés acycliques étudiés ici possèdent un groupe hydroxyle porté par un carbone saturé. Leur formule brute est $\mathrm{C_nH_{2n+2}O}$. Tous les alcools ne se limitent pas à cette famille et une formule brute de ce type peut aussi appartenir à un éther : il faut utiliser la structure ou le nom donné pour identifier la fonction.

Le pétrole est un mélange. Le raffinage comporte notamment des séparations suivant la volatilité et des transformations ; ce n'est pas un simple tri par taille moléculaire. Le gaz naturel peut être modélisé par le méthane dans un calcul, sans être assimilé à un corps pur.

Dans les combustions complètes idéales des familles C/H/O étudiées, le carbone donne CO₂ et l'hydrogène donne H₂O. L'équation décrit ce modèle, pas une garantie fournie par un simple excès global de dioxygène. Mélange et conditions de réaction interviennent. Une combustion incomplète peut produire CO et/ou suies, avec CO₂, eau et imbrûlés.

Le calcul de CO₂ à la combustion ne suffit pas à établir l'empreinte climatique totale d'un carburant : extraction, production, transport, usages des sols et autres émissions peuvent compter.

Retrouver les coefficients. Pour un alcane acyclique $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$, fixez d'abord n CO₂ puis n+1 H₂O. Les produits contiennent 3n+1 atomes O : le coefficient de O₂ vaut (3n+1)/2 lorsque celui du combustible vaut 1. Pour un monoalcool saturé acyclique $\mathrm{C_nH_{2n+2}O}$, un O est déjà apporté : le coefficient de O₂ vaut 3n/2. Cette méthode pratique n'est pas le seul ordre d'ajustement possible.

Un coefficient fractionnaire est un rapport stœchiométrique, utilisable pour des quantités de matière. Il ne représente pas une demi-molécule individuelle. Pour compter des entités entières, multipliez toute l'équation par le même facteur.

Énergie et états physiques. Une valeur molaire de combustion est associée à une réaction, des états et des conditions. Par exemple, la valeur arrondie 1 367 kJ/mol pour l'éthanol correspond ici à une combustion de l'éthanol liquide avec eau liquide parmi les produits, vers 298 K dans les états de référence. Elle ne représente pas automatiquement la chaleur récupérée d'une flamme dont la vapeur d'eau reste chaude.

Si $E_m$ désigne la valeur positive de l'énergie libérée par mole dans le modèle précisé, $E=n_{\mathrm{comb}}E_m$. À pression constante avec seul travail de pression, cette convention correspond à l'opposé de l'enthalpie molaire de combustion négative. L'énergie utile reçue par un dispositif vaut $E_{\mathrm{utile}}=\eta E$ si son rendement énergétique eta est donné pour le même périmètre. Sans ce rendement, pas de promesse de chauffage réel.

L'énergie molaire peut être fournie, mesurée, ou estimée depuis des énergies de liaison dans le modèle gazeux prévu au programme de première. C'est le bilan des énergies de toutes les liaisons rompues et formées qui compte, pas l'affirmation que chaque liaison produite serait individuellement plus forte.

Origine du carbone. Biocarburant ne veut pas dire absence d'émission à la combustion ni neutralité garantie. Son carbone est d'origine biogénique, avec des ressources et des durées de renouvellement variables. Un bilan de cycle de vie est nécessaire pour comparer les filières ; l'équation de combustion ne le remplace pas.

Deux dispositifs fictifs, un même combustible. Dans les conditions spécifiées du dossier, A libère 100 kJ d'énergie chimique et en transmet 30 % à l'eau ; B libère 80 kJ et en transmet 60 %. L'objectif est de transmettre au moins 40 kJ. Les rendements sont des données fictives du dossier, pas des performances promises pour un appareil réel.

Comparer l'énergie utile. A transmet $100\times0{,}30=30$ kJ : l'objectif n'est pas atteint. B transmet $80\times0{,}60=48$ kJ : il l'est. Libérer davantage d'énergie chimique n'implique pas en récupérer davantage pour l'usage choisi.

Comparer le combustible consommé. Le même combustible, la même réaction complète et les mêmes conditions de référence sont retenus ; son énergie molaire est donc la même dans les deux calculs. Le rapport des quantités brûlées vaut $n_B/n_A=80/100=0{,}80$. B brûle 20 % de moins dans ce dossier.

Comparer le CO₂ de combustion. Pour ce même combustible et ce même modèle complet, le nombre de moles de CO₂ par mole brûlée est identique. Le rapport des émissions directes est donc aussi 0,80. Ce raisonnement relatif ne fournit pas un bilan de cycle de vie, ni une comparaison de carburants différents.

Critiquer une conclusion trop large. Affirmer « B a donc toujours le meilleur bilan climatique » dépasserait les données. Le dossier compare seulement ces transferts utiles et ces émissions directes sous des hypothèses communes ; la fabrication des dispositifs ou les conditions réelles ne sont pas renseignées.

À gauche, le butane est utilisé pour montrer le comptage de C, H puis O ; à droite, l'éthanol porte un atome O encadré, qu'il faut compter avant de calculer l'apport de O₂. Les jetons représentent un bilan, pas le déplacement réel de cet atome vers une molécule précise.

La version doublée de l'équation du butane permet un comptage d'entités entières. Le coefficient 13/2 de l'autre écriture exprime un rapport par mole de combustible, pas treize demi-molécules physiques.

Les bâtonnets centraux comparent quelques valeurs molaires arrondies de combustion et les nombres de moles de CO₂ par mole brûlée. Ils ne mesurent ni une énergie par kilogramme, ni une chaleur utile, ni une empreinte de cycle de vie. Les valeurs énergétiques supposent les états de référence précisés, notamment eau liquide ; la tendance des quelques points n'est pas une loi universelle de toute famille organique.

Le cartouche final rappelle les deux chaînes de calcul : masse vers quantité de matière puis CO₂, et quantité de matière vers énergie de combustion. Il faut encore connaître le rendement pour passer à l'énergie utile. Aucun rendement réel n'est déduit du dessin.