Les combustions

flamme d'un feu

Comment pourrait-on définir une combustion ? Flamme et lumière, même s’ils l’accompagnent souvent n’en sont cependant pas des manifestations obligatoires. Par exemple certaines compositions fumigènes brûlent sans flamme. Voici plutôt, en vrac, ce qui pourrait caractériser une combustion :

  • Elle fait intervenir au moins deux corps qui réagissent et se recombinent en nouveaux corps avec libération de chaleur.
  • Une zone de réaction chaude sépare les produits initiaux des produits de la réaction.
  • Cette zone se propage à une vitesse qui peut aller de quelques millimètres à quelques centaines de mètres par seconde ( on parle alors d’une déflagration ) par transfert thermique : La chaleur produite dans la zone de réaction s’ étend dans la zone non encore active et y propage la réaction de décomposition chimique. Cette dernière demeure plus lente que le transfert thermique. C’est ce qui fait la différence avec la détonation dans laquelle au contraire la réaction chimique est plus rapide que le transfert thermique, d’où apparition d’une onde de choc dans la zone non encore réagi et une vitesse de propagation qui dépasse le kilomètre par seconde.
  • C’est une réaction qui repose sur des échanges d’électrons entre les produits. De telles réactions sont appelées des oxydoréductions. L’un des produits, l’oxydant , oxyde l’autre, le combustible ou réducteur. On peut aussi dire que ce dernier réduit l’oxydant.

On part donc de deux réactifs au moins, A et B, pour aboutir par exemple à deux nouveaux produits, C et D :

A + B —> C + D + Chaleur…

Par exemple la combustion du gaz de ville , qu’on assimilera pour simplifier à du méthane CH4, peut s’écrire :

CH4 + 2 02 –> CO2 + 2 H20 + Chaleur …

Les produits de la réaction sont le gaz carbonique et l’eau, gazeuse à la température de la réaction.

La réaction peut être plus complexe : Lorsque vous allumez un feu de bois, ce n’est pas le bois lui même qui réagit directement avec l’oxygène de l’air, en fait la chaleur décompose progessivement le bois en divers produits gazeux qui eux réagissent avec l’oxygène. Ainsi par exmple la réaction entre A et B pourra débuter par la décomposition sous l’action de la chaleur de A en D et E
A –> D + E
D réagit alors avec B pour former C : D + B –> C. Même si il y a eu une étape intermédiaire on est bien parti de parti de A et B pour aboutir à C et D. Le bilan global, le seul qui finalement nous intéresse, est bien A + B –> C + D …

On a parlé de la réaction sans parler de son « démarrage ». Elle peut être spontanée : Dès que les produits sont en contact, ils réagissent. Mais elle peut aussi avoir besoin d’un petit coup de pouce, comme la flamme ou l’étincelle qui enflamme le gaz de la cuisinière. Il faut en fait fournir un peu d’énergie, sous forme de chaleur par exemple, pour qu’une petite partie du mélange initial franchisse un seuil énergétique à partir duquel la réaction peut avoir lieu. C’est l’ énergie d’activation. Ensuite elle se propage dans le reste du mélange et s’ entretient jusqu’à ce que l’un des produits vienne à manquer ou que le système soit modifié de tel sorte que l’entretien ne puisse plus avoir lieu correctement. Ainsi si vous dispersez tous les morceaux de bois d’un feu, il est bien possible que chacun s’éteigne dans son coin avant d’avoir totalement brulé, alors que tous ensembles, s’entretenant, ils auraient poursuivi laur combustion jusqu’à ce que tout soit consumé.

Ensuite on peut aussi parler de la vitesse de la réaction c’est à dire la quantité de matière consommée par unité de temps. Elle dépendra de divers facteurs dont la température selon la loi d’ Arrhenius (fonction exponentielle de la température ) mais aussi, dans le cas où la réaction fait intervenir des produits gazeux, de la pression. Ce qui explique par exemple la possibilité d’emballement d’une combustion de produits confinés : La chaleur qui ne peut se dissiper contribue à l’augmentation de la température du mélange et donc de la vitesse de réaction, de même que l’augmentation de pression due au confinement des gaz. De la poudre noire ne brule pas avec la même vitesse en tas à l’air libre qu’au fond d’un canon…

Dans les exemples courants de combustion c’est l’oxygène atmosphérique qui joue le rôle d’oxydant mais ce n’est qu’un cas particulier. L’oxydant peut être un oxyde, comme l’oxyde de fer, ou un sel riche en oxygène comme le nitrate de potassium. A la limite l’oxydant peut très bien ne pas contenir d’ oxygène : Par exemple dans certaines compositions fumigènes ( toujours utilisées ? Je l’ignore ) l’oxydant est l’ hexachloroéthane C2Cl6

Un exemple.

Pour s’éclaircir les idées venons à un exemple de réaction concret et chiffré qui permettra aussi d’aborder des rudiments de formulation:
Certaines compositions appelée thermites sont composées d’aluminium et d’oxydes métalliques.. L’une des plus connues utilise l’oxyde de fer Fe203. Elle était utilisée notamment ( l’est elle encore ? ) pour le soudage des rails de chemin de fer. Des semblables réactions avec d’autres oxydes permettent la préparation de métaux difficiles à obtenir par d’autres biais comme le manganèse, le chrome… Ces réactions sont appelées aluminothermies.

Fe203 + 2 Al –> Al203 + 2Fe + 200 kcal

Oxyde de Fer + Aluminium –> Oxyde d’aluminium + Fer + Chaleur

La réaction écrite sous cette forme est équilibrée : On a bien « de chaque coté » 2 Fe , 3 0 et 2 Al. La matière a changé de forme mais n’a pas disparu ou n’est pas tombée du ciel ! Rien ne se perd , rien ne se crée, tout se transforme…

Une molécule d’oxyde doit réagir avec 2 atomes d’aluminium. Ce sont les proportions dites stoechiométriques. Plutôt que de parler en nombre d’atomes et molécules, on utilise en chimie la notion de « mole » , sorte d’unité de mesure de la quantité de matière. On dira donc qu’une mole d’oxyde, dont la masse est d’environ 160 g, doit réagir avec 2 d’aluminium, soit 2x 27 g = 54 g environ, soit une masse totale de produits initiaux de 214g. En termes de proportions le mélange initial contient donc, en arrondissant, 75% d’oxyde de fer et 25% d’aluminium.

Le mélange doit être porté à plus de 800°C pour que s’amorce la réaction. Elle s’accompagne de la libération de chaleur à raison d’environ 200 kilo-calories par mole d’oxyde de fer. La calorie est une unité d’énergie un peu désuète, qui vaut 4,18 joules environ, qui était définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau de un degré celsius.
On peut aussi dire que la combustion libère environ 200 000/ 214 = 930 calories par gramme de mélange.

La température de la réaction est d’environ 2400 °C et le fer résultant est donc sous forme liquide, d’où l’utilité de la réaction dans des opérations de soudage… Le fer est passé de la forme d’oxyde a sa forme pure, il a été réduit tandis que l’aluminium a parcouru le chemin inverse, il a été oxydé.

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