Les combustions : ce qui brûle, avec quoi, et ce qui se forme

Le charbon d'un barbecue, le gaz d'une chaudière, la cire d'une bougie : dans les trois cas, quelque chose brûle. Que se passe-t-il exactement ?

Une combustion est une transformation chimique au cours de laquelle un combustible réagit avec un comburant en libérant de l'énergie, sous forme de chaleur et souvent de lumière.

Deux mots à ne jamais confondre :

• le combustible est la substance qui brûle : le carbone du charbon de bois, le méthane du gaz naturel, le butane d'un réchaud, la cire d'une bougie ;
• le comburant est la substance qui fait brûler : dans la vie courante, c'est toujours le dioxygène $\mathrm{O_2}$ de l'air.

Le comburant ne brûle pas lui-même : il est consommé, mais il joue l'autre rôle. Dire « le dioxygène brûle » est un contresens.

Le triangle du feu. Pour qu'une combustion démarre et se poursuive, il faut réunir trois conditions en même temps :

1. un combustible ;
2. un comburant, c'est-à-dire du dioxygène ;
3. une source d'énergie pour démarrer — une flamme, une étincelle, un point très chaud.

On représente ces trois conditions par les trois côtés d'un triangle : c'est le triangle du feu. Sa force est qu'il se lit dans les deux sens. Pour allumer, réunis les trois. Pour éteindre, il suffit d'en supprimer un seul :

Une combustion est une transformation chimique, pas une disparition. Le combustible ne s'évanouit pas : ses atomes se retrouvent, après la combustion, dans de nouvelles molécules. Il y a donc des réactifs — le combustible et le dioxygène — et des produits. Et comme dans toute transformation chimique, la masse totale se conserve : si une bûche semble maigrir, c'est que ses produits sont partis en fumée par la cheminée.

L'exemple le plus simple. Le carbone du charbon de bois brûle dans le dioxygène et donne du dioxyde de carbone :

Un atome de carbone, une molécule de dioxygène, une molécule de dioxyde de carbone : les atomes sont conservés, l'équation est ajustée.

1. La règle des produits d'une combustion complète. Quand le dioxygène est présent en quantité suffisante, la combustion est dite complète, et chaque élément du combustible se retrouve combiné à l'oxygène :

• l'élément carbone donne du dioxyde de carbone $\mathrm{CO_2}$ ;
• l'élément hydrogène donne de l'eau $\mathrm{H_2O}$, qui sort sous forme de vapeur.

Il suffit donc de lire la formule du combustible pour prévoir ses produits.

Le carbone ne contient pas d'hydrogène : sa combustion ne peut former aucune eau. Inversement, tout combustible contenant du carbone forme du dioxyde de carbone — c'est vrai du bois, du charbon, du gaz, de l'essence, et c'est la raison pour laquelle ces combustions contribuent à l'effet de serre.

2. La combustion incomplète. Si le dioxygène vient à manquer — un local mal aéré, un appareil encrassé —, le carbone ne peut plus se combiner à autant d'oxygène. La combustion devient incomplète, et les produits changent :

• il se forme du monoxyde de carbone $\mathrm{CO}$, qui ne porte qu'un seul atome d'oxygène au lieu de deux ;
• il se forme aussi des suies, de fines particules de carbone solide, qui noircissent les parois et rendent la flamme jaune et fumeuse.

Une flamme bleue et nette signale une combustion complète ; une flamme jaune, vacillante et fumeuse signale un manque de dioxygène.

3. Pourquoi le monoxyde de carbone est dangereux. Il l'est pour une raison précise : il est incolore et inodore. On ne le voit pas, on ne le sent pas, on ne peut donc pas le détecter par les sens. Une fois respiré, il se fixe sur l'hémoglobine du sang — la molécule qui transporte normalement le dioxygène — et prend sa place, ce qui empêche l'oxygénation de l'organisme.

Les mesures de prévention découlent directement de la chimie du chapitre : ne jamais obstruer une grille d'aération, faire entretenir chaque année les appareils de chauffage, ne jamais utiliser à l'intérieur un appareil prévu pour l'extérieur (barbecue, groupe électrogène), installer un détecteur de monoxyde de carbone. Ce n'est pas de la prudence vague : c'est la chimie de ce chapitre appliquée à la sécurité. En garantissant l'arrivée de dioxygène, on garantit que la combustion reste complète, donc qu'il ne se forme pas de monoxyde de carbone.

Ne confonds jamais les deux gaz : le dioxyde de carbone $\mathrm{CO_2}$ est un produit normal de la respiration et des combustions complètes ; le monoxyde de carbone $\mathrm{CO}$ est un poison. Un seul atome d'oxygène les sépare.

4. Reconnaître les gaz : les tests du programme. On ne voit pas les gaz ; on les identifie par des tests caractéristiques.

Deux précautions de lecture. D'abord, un test ne se lit jamais seul : c'est le couple réactif $+$ observation qui identifie le gaz. « L'eau de chaux reste limpide » signifie l'absence de dioxyde de carbone, pas sa présence. Ensuite, chaque réactif a son gaz : le sulfate de cuivre anhydre bleuit pour l'eau, jamais pour le dioxyde de carbone.

5. Le lien avec le reste du chapitre. Une combustion est une transformation chimique comme les autres : son équation s'ajuste avec les mêmes règles, et sa masse se conserve. Écrire $\mathrm{CH_4} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O}$ ne suffit pas — il faut ajuster. Et si la balance semble perdre de la masse pendant une combustion à l'air libre, c'est que les produits sont des gaz qui s'en vont.

Dans une chaudière, le méthane — le gaz naturel — brûle avec un apport d'air suffisant. Sa formule est $\mathrm{CH_4}$. Menons l'étude complète.

1. Quels sont les réactifs ? Le méthane est le combustible. Il ne brûle pas seul : il lui faut un comburant, le dioxygène $\mathrm{O_2}$ de l'air. Les réactifs sont donc le méthane et le dioxygène.

Le dioxyde de carbone et l'eau, eux, ne sont pas des réactifs : ils n'existent pas encore avant la transformation.

2. Quels sont les produits ? La formule $\mathrm{CH_4}$ montre que le méthane contient l'élément carbone et l'élément hydrogène. La combustion étant complète :

• le carbone donne du dioxyde de carbone $\mathrm{CO_2}$ ;
• l'hydrogène donne de l'eau $\mathrm{H_2O}$.

Les produits sont donc le dioxyde de carbone et l'eau.

3. Écrire l'équation. On pose le squelette, puis on ajuste sans jamais toucher aux indices.

Carbone : 1 à gauche, 1 à droite, rien à faire. Hydrogène : 4 à gauche, et l'eau en apporte 2 par molécule, donc

molécules d'eau. Oxygène à droite :

que le dioxygène apporte par paires :

molécules de dioxygène.

4. Vérifier. Carbone : $1 = 1$. Hydrogène : $1 \times 4 = 4$ et $2 \times 2 = 4$. Oxygène : $2 \times 2 = 4$ et $1 \times 2 + 2 \times 1 = 4$. Les trois éléments sont conservés, et les nombres 1, 2, 1, 2 n'ont pas de diviseur commun : l'équation est ajustée avec les plus petits entiers.

5. Identifier les produits au laboratoire. On recueille les gaz sortant de la combustion.

• On les fait barboter dans de l'eau de chaux, limpide au départ : elle se trouble. Le dioxyde de carbone est identifié.
• On approche du sulfate de cuivre anhydre, blanc au départ : il bleuit. L'eau est identifiée.

Les deux tests confirment ce que l'équation annonçait.

6. Et si l'aération manque ? Avec trop peu de dioxygène, la combustion devient incomplète : la flamme jaunit, des suies se déposent, et il se forme du monoxyde de carbone $\mathrm{CO}$, incolore et inodore. C'est pour cette raison qu'une chaudière exige une grille d'aération dégagée et un entretien annuel.

7. Le bilan de masse. Suppose que cette combustion consomme $8{,}0$ g de méthane et $31{,}9$ g de dioxygène. La masse totale des produits vaut alors

répartie entre le dioxyde de carbone et l'eau. Rien ne s'est perdu : dans une chaudière, ces $39{,}9$ g partent simplement par le conduit d'évacuation.

Réflexe d'auto-contrôle : pour prévoir les produits d'une combustion complète, ne cherche pas dans ta mémoire — lis la formule du combustible. Elle contient du carbone ? Il y aura du dioxyde de carbone. De l'hydrogène ? Il y aura de l'eau. Ni l'un ni l'autre ? Alors ce n'est pas un combustible du programme.

Figure (fig.chemistry.combustion-triangle, SVG programmatique à produire) : trois panneaux disposés de gauche à droite, qui suivent l'ordre de la leçon — les conditions, puis les produits, puis le manque de dioxygène.

• Panneau 1 — le triangle du feu. Un grand triangle équilatéral, chaque côté portant son étiquette écrite le long du trait : « combustible (ce qui brûle) », « comburant : le dioxygène de l'air », « énergie de démarrage : flamme, étincelle, point chaud ». Au centre, le mot « combustion ». Sous le triangle, trois vignettes montrent la suppression de chaque côté, le côté supprimé étant dessiné en pointillés et barré : « robinet fermé », « couvercle posé », « eau versée », chacune légendée « un côté supprimé : la combustion s'arrête ».
• Panneau 2 — de la formule aux produits. Trois lignes, une par combustible. Ligne 1 : $\mathrm{C}$, une flèche, « dioxyde de carbone ». Ligne 2 : $\mathrm{CH_4}$, une flèche, « dioxyde de carbone $+$ eau ». Ligne 3 : $\mathrm{C_4H_{10}}$, une flèche, « dioxyde de carbone $+$ eau ». Sur chaque ligne, l'élément carbone de la formule est relié par un trait plein au dioxyde de carbone, et l'élément hydrogène par un trait pointillé à l'eau ; la ligne du carbone n'a pas de trait pointillé, ce qui montre sans un mot pourquoi elle ne produit pas d'eau. Bandeau : « $\mathrm{C} \rightarrow \mathrm{CO_2}$, $\mathrm{H} \rightarrow \mathrm{H_2O}$ : chaque élément du combustible se combine à l'oxygène. »
• Panneau 3 — assez de dioxygène, ou non. Deux flammes dessinées côte à côte. À gauche, une flamme haute et régulière, hachurée verticalement, légendée « dioxygène suffisant — combustion complète : $\mathrm{CO_2}$ et $\mathrm{H_2O}$ ». À droite, une flamme basse et irrégulière, hachurée en diagonale, avec des points figurant les suies au-dessus, légendée « dioxygène insuffisant — combustion incomplète : $\mathrm{CO}$ (incolore, inodore) et suies ». Entre les deux, un encadré : « $\mathrm{CO_2}$ et $\mathrm{CO}$ : un seul atome d'oxygène de différence, et deux gaz très différents. »
• Distinction sans couleur. Les côtés supprimés du triangle sont en pointillés et barrés ; les deux flammes se distinguent par leur hachure et par leur légende écrite ; les liaisons carbone et hydrogène du panneau 2 se distinguent par le trait plein et le trait pointillé. Aucune information n'est portée par la seule couleur.

Ce qu'il faut lire. Le panneau 1 dit qu'une combustion a des conditions, et qu'en supprimer une suffit à l'arrêter. Le panneau 2 dit que les produits ne s'apprennent pas par cœur : ils se lisent dans la formule. Le panneau 3 dit que la même réaction, selon la quantité de dioxygène disponible, donne un gaz banal ou un gaz dangereux.

La figure en détail : trois schémas côte à côte. Le premier est un triangle dont les trois côtés portent les trois conditions d'une combustion — un combustible, un comburant qui est le dioxygène de l'air, et une source d'énergie pour démarrer — accompagné de trois vignettes montrant qu'en supprimer un seul éteint le feu. Le deuxième relie la formule de chaque combustible à ses produits : le carbone seul donne du dioxyde de carbone, le méthane et le butane donnent du dioxyde de carbone et de l'eau, l'élément carbone étant relié au dioxyde de carbone et l'élément hydrogène à l'eau. Le troisième compare deux flammes : avec assez de dioxygène, la combustion est complète et forme du dioxyde de carbone et de l'eau ; avec trop peu, elle est incomplète et forme du monoxyde de carbone, incolore et inodore, ainsi que des suies.

Les équations du programme. Elles te seront fournies : ce qui compte est de savoir les lire et vérifier qu'elles sont ajustées.

La règle des produits, en une ligne. Élément carbone $\rightarrow$ dioxyde de carbone ; élément hydrogène $\rightarrow$ eau. Un combustible sans hydrogène ne forme pas d'eau.

Les tests des gaz.

Vocabulaire à tenir ferme.

• Combustible : ce qui brûle.
• Comburant : ce qui fait brûler — le dioxygène.
• Combustion complète : dioxygène en quantité suffisante ; produits $\mathrm{CO_2}$ et, s'il y a de l'hydrogène, $\mathrm{H_2O}$.
• Combustion incomplète : dioxygène insuffisant ; il apparaît du monoxyde de carbone $\mathrm{CO}$ et des suies.
• Suies : particules solides de carbone — ce n'est pas un gaz.

Domaine de validité. Les produits annoncés valent pour les combustibles du programme, qui ne contiennent que du carbone et de l'hydrogène. Un combustible contenant d'autres éléments — le soufre d'un fioul, par exemple — forme d'autres produits encore. Par ailleurs, cette leçon ne dit rien de la quantité d'énergie libérée : la comparer d'un combustible à l'autre demande des outils du lycée.

1. Oublier le dioxygène parmi les réactifs. C'est l'erreur la plus fréquente, parce que le dioxygène est invisible et gratuit : on ne pense pas à le compter. Pourtant, sans comburant, rien ne brûle. Test mental : pourquoi un couvercle éteint-il une casserole en feu ? Parce qu'il coupe l'arrivée de dioxygène — donc le dioxygène participait bien.
2. Écrire $\mathrm{CH_4} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O}$ sans ajuster. Cette écriture ne conserve ni l'hydrogène (4 à gauche, 2 à droite) ni l'oxygène (2 à gauche, 3 à droite). L'équation correcte est $\mathrm{CH_4} + 2\,\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} + 2\,\mathrm{H_2O}$. Et l'on ajuste en changeant les nombres devant les formules, jamais les indices.
3. Confondre le monoxyde $\mathrm{CO}$ et le dioxyde de carbone $\mathrm{CO_2}$. Un seul atome d'oxygène les distingue, et tout les oppose : le dioxyde de carbone est le produit normal d'une combustion complète, le monoxyde de carbone est un gaz toxique qui ne se forme que par manque de dioxygène. Le préfixe le dit : mono, un atome d'oxygène ; di, deux.
4. Croire que le comburant brûle. Le dioxygène est consommé, mais il n'est pas le combustible. Dire « le dioxygène brûle » revient à intervertir les deux rôles du triangle du feu.
5. Confondre l'air et le dioxygène. L'air est un mélange : environ un cinquième de dioxygène, le reste surtout du diazote. Seul le dioxygène est consommé ; le diazote traverse la combustion sans réagir. Une équation ne fait donc jamais intervenir « l'air ».
6. Faire produire de l'eau à la combustion du carbone. Le carbone $\mathrm{C}$ ne contient pas d'hydrogène : aucune eau ne peut se former. Regarde la formule avant de répondre.
7. Prendre les suies pour un gaz. Les suies sont des particules solides de carbone. Elles noircissent les parois, mais elles ne sont pas le gaz toxique de la combustion incomplète : celui-là, c'est le monoxyde de carbone, et il est invisible.
8. Croire qu'on peut sentir le monoxyde de carbone. Il est incolore et inodore : c'est précisément ce qui le rend dangereux, et c'est la raison d'être des détecteurs et des grilles d'aération. L'odeur de gaz que l'on perçoit parfois chez soi est celle d'un produit odorant ajouté exprès au gaz naturel — elle ne signale pas le monoxyde de carbone.
9. Lire un test à l'envers. « L'eau de chaux reste limpide » signifie qu'il n'y a pas de dioxyde de carbone. C'est le trouble qui est le résultat positif. De même, le sulfate de cuivre anhydre bleuit en présence d'eau, pas de dioxyde de carbone.

Exercice type. Les quatre questions sont exactement celles que l'exercice te posera, dans ses quatre variantes : les réactifs d'une combustion complète, ses produits, le gaz de la combustion incomplète, et le test d'identification du dioxyde de carbone.

1. Dans un réchaud de camping, le butane brûle. Quels sont les réactifs de cette combustion complète ?

• A. Le butane seul.
• B. Le butane et l'air.
• C. Le butane et le dioxygène.
• D. Le dioxyde de carbone et l'eau.

2. Dans une chaudière, le méthane brûle. Sa formule est $\mathrm{CH_4}$. Quels produits cette combustion complète forme-t-elle ?

• A. Du dioxyde de carbone, uniquement.
• B. Du monoxyde de carbone et de l'eau.
• C. Du dioxyde de carbone et de l'eau.
• D. Du dioxyde de carbone, de l'eau et du dioxygène.

3. La combustion du butane se produit dans un local mal aéré : le dioxygène vient à manquer et la combustion devient incomplète. Quel gaz toxique et inodore peut alors se former ?

• A. Le dioxyde de carbone.
• B. Le monoxyde de carbone.
• C. La vapeur d'eau.
• D. Le carbone, sous forme de suies.

4. On fait brûler du carbone et on recueille le gaz formé par la combustion complète. Comment vérifie-t-on que ce gaz est bien du dioxyde de carbone, et qu'observe-t-on si c'est le cas ?

• A. Avec une bûchette incandescente, qui se rallume.
• B. Avec de l'eau de chaux, qui se trouble.
• C. Avec du sulfate de cuivre anhydre, qui bleuit.
• D. En approchant une flamme, qui provoque une petite détonation.

Correction.

1. La bonne réponse est C. Une combustion est une transformation chimique : le combustible, ici le butane, réagit avec un comburant, le dioxygène de l'air. Sans dioxygène, rien ne brûle — c'est l'un des trois côtés du triangle du feu.

A oublie le comburant : le butane ne brûle pas seul. B confond l'air, qui est un mélange, et le dioxygène, seul gaz de l'air réellement consommé. D intervertit les réactifs et les produits : le dioxyde de carbone et l'eau se forment, ils ne sont pas consommés.

2. La bonne réponse est C. La formule $\mathrm{CH_4}$ montre que le méthane contient l'élément carbone et l'élément hydrogène. Dans une combustion complète, le carbone donne du dioxyde de carbone et l'hydrogène donne de l'eau.

A oublie l'eau, alors que le combustible contient de l'hydrogène. B place le monoxyde de carbone parmi les produits d'une combustion complète : il ne se forme que si le dioxygène manque. D compte le dioxygène parmi les produits, alors qu'il est consommé.

3. La bonne réponse est B. Quand le dioxygène manque, le carbone du combustible ne peut plus se combiner à deux atomes d'oxygène : il se forme du monoxyde de carbone $\mathrm{CO}$, un gaz incolore et inodore, un atome d'oxygène de moins que le dioxyde de carbone.

A décrit le produit d'une combustion complète. C : la vapeur d'eau n'est pas toxique. D : des suies se forment bien, mais ce sont des particules solides, pas un gaz — la question porte sur un gaz.

4. La bonne réponse est B. Le test du dioxyde de carbone utilise l'eau de chaux, limpide au départ : en présence de ce gaz, elle se trouble.

A décrit le test du dioxygène. C décrit le test de l'eau. D décrit le test du dihydrogène. Chaque gaz a son réactif : c'est le couple réactif $+$ observation qui identifie, jamais l'un des deux seul.

Auto-contrôle : pose-toi toujours les questions dans cet ordre. Le dioxygène est-il dans mes réactifs ? La formule du combustible contient-elle de l'hydrogène ? Le dioxygène est-il suffisant ? Ces trois réponses déterminent à elles seules réactifs et produits.