combu métaux

Combustion de quelques métaux

L'expérience quotidienne nous montre que les métaux ne brûlent pas (ustensiles de cuisine)? pourtant dans certaines conditions....

sommaire

1. Le fer peut-il brûler ?
1.1 combustion du fer dans l'air	1.2 combustion du fer dans le dioxygène	1.3 conservation de la masse	1.4 équation chimique de la combustion du fer dans le dioxygène
2. Combustion des poudres métalliques dans l'air
2.1 expériences	2.2 équations chimiques des combustions

1. Le fer peut-il brûler ?

1.1 combustion du fer dans l'air:

que devient le fer qui brûle ?

PRÉPARONS L’ EXPÉRIENCE

DÉCLENCHONS L’ EXPÉRIENCE

DÉCRIVONS NOS OBSERVATIONS

départ combustion

Pour réaliser l'expérience nous avons besoin de: La paille de fer, une pile
Pour tester les corps formés nous avons besoin d'un aimant.

Masse de la laine de fer + support avant réaction : m₁= 28,39 g

Pour amorcer la combustion du fer dans l’air nous devons réaliser un court-circuit avec une pile

m₂ (28,51g) > m1 (28,39g) .La pesée du support après combustion montre que la masse du solide augmente
L’aimant attire le solide
La pile n'a plus d'action sur le solide, ce n'est plus du fer.

EXPLIQUONS :Le fer a disparu ,la masse du solide augmente lors de la combustion de fer finement divisé à l'air libre Or nous observons qu’un nouveau corps est apparu donc nous en déduisons que le fer peut brûler s'il est finement divisé et porté à haute température. Il y a apparition d'un nouveau corps: le Produit. c'est un oxyde métallique: l'oxyde magnétique de fer.

1.2 combustion du fer dans le dioxygène:

PRÉPARONS L’ EXPÉRIENCE	DÉCLENCHONS L’ EXPÉRIENCE	DÉCRIVONS NOS OBSERVATIONS

Pour réaliser l'expérience nous avons besoin de: paille de fer (fond avec sable pour éviter choc thermique), d'un bocal rempli de dioxygène, d'une pile. Pour tester le corps disparu le pot doit être prolongé par un tuyau fermé avec une pince de Mohr, d'un pot rempli d'eau colorée.	Pour amorcer la combustion du fer dans l’air nous devons réaliser un court-circuit avec une pile Pour poursuivre la combustion dans le dioxygène pur, on coiffe aussitôt la paille de fer avec le flacon rempli de dioxygène, et on tient fermement l'ensemble pour qu'il n'y ait aucun échange gazeux entre l'air et l'intérieur du pot. En fin de réaction (1 à 2 minutes après), on enlève la pince de Mohr.	La combustion est plus vive que dans l'air la réaction est exoénergétique L'eau est "aspirée" à l'intérieur du flacon

EXPLIQUONS :Il y a une dépression dans le flacon Or nous savons que le dioxygène est indispensable aux combustions donc nous en déduisons que le dioxygène a disparu car il a été consommé au cours de la réaction .La diminution de la quantité de gaz dans le flacon a provoqué la dépression (La pression atmosphérique est supérieure à celle du flacon, elle a "poussé" l'eau dans le flacon ).

Le dioxygène est un corps de début de transformation c'est un Réactif.

1.3 conservation de la masse :

Par principe, la masse est conservée lors d'une transformation. Loi énoncée par Lavoisier(1743 -1794)


masse m₁ de l'ensemble avant la combustion	masse m₂ de l'ensemble pendant la combustion	masse m₃ de l'ensemble après la combustion

La balance reste équilibrée (aux erreurs de mesures près: précision de la balance), ce n'est pas en contradiction avec le principe.

La masse du solide a augmenté(expérience de la combustion dans l'air), le volume donc la masse du dioxygène a diminué(expérience de la combustion dans le dioxygène) ,mais la masse globale reste constante.

1.4 équation bilan de la combustion du fer dans le dioxygène :

1.4.1 un peu de vocabulaire...

Lors de la combustion du fer, il y a des transformations qui se produisent:

disparition des corps de départ : Réactifs
apparition d'un nouveau corps : le Produit
ces transformations sont dues à une "transformation chimique"; On appelle OXYDATION: l'action du dioxygène sur le métal
La combustion libère de l'énergie sous forme de chaleur et de lumière. On dit qu'elle est exoénergétique.

Symbole chimique des métaux:

Un métal pur est formé d'atomes. Le fer d'atomes de fer, le cuivre d'atomes de cuivre.... Chaque métal est représenté par le symbole chimique de l'espèce d'atomes qui le constitue.

exemple: Fe pour le fer.

Formules des oxydes métalliques:

Un oxyde métallique est formé d'arrangements ordonnés d'atomes de métal et d'atomes d'oxygène. Sa formule de composition indique les proportions de ces deux espèces d'atomes.

exemple: Fe₃O₄ pour l'oxyde magnétique de fer.

1.4.2 Équation chimique

Les transformations chimiques qui se déroulent à l'état microscopique sont nombreuses et complexes. Pour rendre compte des phénomènes visibles au niveau macroscopique (les réactifs qui disparaissent et les produits nouveaux) on utilise un modèle, celui de la réaction chimique qui se traduit par un bilan chimique où l'on fait l'inventaire des réactifs et des produits.

principe pour "ajuster" les nombres stœchiométriques d' une équation chimique: les équations chimiques doivent satisfaire deux critères:

le nombre et le type d'atomes contenus dans les réactifs se retrouvent dans les produits
les nombres stœchiométriques utilisés sont des nombres entiers (en 3°), les plus petits possibles.

appliquons:.. Équation chimique de la combustion du fer

Réactifs Produits

fer + dioxygène oxyde magnétique de fer

Fe + O₂ Fe₃O₄

_{bilan des atomes:
atome de}_fer_:₁_{et atome}_d'oxygène_:₂ _{atome de}_fer_:₃_{avec atome}_d'oxygène_:₄

_{l'équation n'est pas
"ajustée"; le nombre d'atomes doit être le même des
deux côtés de l'équation.}

_{Pour avoir le même
nombre d'atomes d'}_oxygène_{, on recherche dans les tables de
multiplication}₂_et₄_{quels sont les produits comprenant
les deux chiffres et on prend le plus petit
résultat: soit ici,}₄_{. On doit donc modifier les nombres
stœchiométriques}_devant_{chaque formule pour obtenir 4
atomes d'oxygène de part et d'autre de
l'équation.}

_{dans les}_réactifs_{,
il faut}_{multiplier
par 2}
_{dans les produits,
il n'y a rien à faire}

_{remarque: résultat que l'on peut trouver
plus vite! il y a 2 fois plus d'atomes dans les produits.}

_{Pour avoir le même nombre
d'atomes de}_fer_{, on recherche dans les tables de
multiplication}₁_et₃_{quels sont les produits comprenant
les deux chiffres et on prend le plus petit
résultat: soit ici,}₃_{. On doit donc modifier les nombres
stœchiométriques}_devant_{chaque formule pour obtenir 3
atomes}_fer_{de part et d'autre de l'équation.}

_{dans les}_réactifs_{,
il faut}_{multiplier
par 3}
_{dans les produits,
il n'y a rien à faire}

_{remarque: résultat que l'on peut trouver
plus vite! il y a 3 fois plus d'atomes dans les produits.}

_{bilan des atomes:
atome de}_fer_:₁_x3₌₃_{et atome}_d'oxygène_:₂_x
2₌₄ _{atome de}_fer_:₃_{avec atome}_d'oxygène_:₄

Réactifs Produits

fer + dioxygène oxyde magnétique de fer

attention, la méthode simple et automatique pour trouver le nombre stœchiométrique n'est plus utilisable lorsqu'on retrouve le même atome dans deux réactifs différents ou deux produits différents... Il faudra un peu plus réfléchir! ....

2. Combustion des poudres métalliques dans l'air

Dans tous les cas c'est le dioxygène de l'air qui réagit avec les métaux.

2.1 expériences:

réactifs

dioxygène

+aluminium

produit

oxyde

d'aluminium

(alumine)

réactifs

dioxygène

+ zinc

produit

oxyde

de zinc

réactifs

dioxygène

+ cuivre

produit

oxyde

de cuivre

réactifs

dioxygène

+ fer

produit

oxyde

de fer

2.2 équations chimiques des combustions:

	Réactifs --------> Produits
Aluminium+dioxygène -----> oxyde d'aluminium	Zinc+dioxygène-------->oxyde de zinc	Cuivre+dioxygène --------> oxyde de cuivre

A température ordinaire, les métaux usuels ne brûlent pas. La combustion du fer, de l'aluminium du cuivre et du zinc dans l'air est possible si ces métaux sont finement divisés et sont portés à hautes températures.
Les Réactifs des combustions sont le métal et le dioxygène de l'air. Produits obtenus sont des oxydes métalliques. Ces transformations sont éxoénergétiques.

Remarque: on a vu que ces métaux peuvent aussi s'oxyder à l'air. Dans le cas du zinc et de l'aluminium, les produits formés sont les mêmes que ceux obtenus à hautes températures.

applications:

Feux d'artifice

: Les mélanges pyrotechniques contiennent:

des substances libérant le comburant oxygène (nitrates et chlorates)
des substances qui captent l'oxygène et servent de combustibles (soufre, carbone, bore, magnésium et titane)
des substances qui portées à hautes températures, émettent de la lumière colorée (chlorure de cuivre, poudre de zinc, poudre d'aluminium, oxalate de sodium, oxyde de strontium....)

Un dispositif d'allumage provoque une transformation chimique entre ces deux types de substances (énergie).

Oxycoupage de l'acier:

C'est une méthode qui permet de découper les tôles en acier. Un point de la tôle est porté à haute température voisine de celle de la fusion du fer (passage de l'état solide à l'état liquide) à l'aide d'un chalumeau fonctionnant avec de l'acéthylène et du dioxygène. Ensuite, seul le jet de dioxygène est envoyé sur la tôle car la combustion du fer étant exoénergérique, la combustion peut se poursuivre sur les parties voisines

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Exercices sur le chapitre