La Combustion de la Bougie
Contexte : Une soirée à la lueur des bougies.
Vous allumez une bougie pour le dîner. Au bout de quelques heures, vous remarquez qu'elle a diminué de taille. Où est passée la matière ? Cet exercice vous propose d'analyser cette Transformation ChimiqueProcessus où des substances disparaissent (réactifs) et d'autres apparaissent (produits). en utilisant les outils du chimiste. La bougie, composée de cire (un hydrocarbureMolécule formée uniquement d'atomes de Carbone (C) et d'Hydrogène (H).), réagit avec l'oxygène de l'air pour produire de la chaleur et de la lumière. Nous allons calculer la masse consommée et comprendre le mécanisme invisible de cette réaction.
Remarque Pédagogique : Cet exercice permet de travailler la compétence fondamentale "Interpréter une transformation chimique comme une redistribution des atomes" et d'appliquer rigoureusement le principe de conservation de la masse (Loi de Lavoisier).
Objectifs Pédagogiques
- Identifier les réactifs (ce qui brûle) et les produits (ce qui est créé) d'une combustion.
- Calculer une masse consommée par soustraction (variation de masse).
- Distinguer transformation physique (changement d'état) et transformation chimique.
- Comprendre la notion de conservation de la matière dans un système ouvert.
Données de l'étude
On réalise l'expérience suivante : on pèse une bougie neuve posée sur une soucoupe avant de l'allumer. On la laisse brûler pendant une durée déterminée (t = 30 min), puis on l'éteint. Une fois la cire figée, on pèse l'ensemble à nouveau.
Fiche Technique / Données
| Grandeur Mesurée | Valeur |
|---|---|
| Masse initiale (\(m_{\text{initiale}}\)) | \(50 \text{ g}\) |
| Masse finale (\(m_{\text{finale}}\)) | \(45 \text{ g}\) |
| Durée de combustion (\(t\)) | \(30 \text{ min}\) |
Schéma de l'expérience
| Nom du Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse initiale | \(m_{\text{initiale}}\) | 50 | \(\text{g}\) |
| Masse finale | \(m_{\text{finale}}\) | 45 | \(\text{g}\) |
| Temps | \(t\) | 30 | \(\text{min}\) |
Questions à traiter
- Calculer la masse de cire disparue (consommée) lors de l'expérience.
- Identifier et décrire les changements d'état physique de la cire au cours de la combustion.
- Expliquer où est passée la matière "disparue" en utilisant la loi de conservation.
- Identifier les réactifs et les produits de cette transformation chimique et écrire le bilan.
- Déterminer la vitesse moyenne de combustion de la bougie en g/min.
Les bases théoriques
Pour résoudre cet exercice, il faut mobiliser des connaissances sur les états de la matière, la nature des transformations chimiques et la loi de conservation de la masse.
Conservation de la Masse (Loi de Lavoisier)
Antoine Lavoisier a énoncé au XVIIIe siècle : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme." Cela signifie que la masse totale des réactifs disparus est exactement égale à la masse totale des produits formés.
Relation de conservation
Où :
- \(m_{\text{réactifs}}\) est la masse consommée des substances de départ.
- \(m_{\text{produits}}\) est la masse formée des nouvelles substances.
La Combustion : Une réaction exothermique
La combustion est une transformation chimique qui nécessite trois éléments, symbolisés par le Triangle du Feu :
- Le Combustible : La matière qui brûle (ici, la cire).
- Le Comburant : La matière qui permet de brûler (le dioxygène de l'air).
- L'Énergie d'activation : La chaleur initiale (l'allumette).
C'est une réaction qui dégage de l'énergie sous forme de chaleur (exothermique) et de lumière.
États de la matière
La matière change d'état physique sous l'effet de la température, sans changer de nature chimique :
Cycle des changements d'état
Où :
- La Fusion transforme le solide en liquide (la cire fond).
- La Vaporisation transforme le liquide en gaz (la cire s'évapore).
Correction : La Combustion de la Bougie
Question 1 : Calculer la masse de cire disparue
Principe
L'objectif est de mesurer la quantité de matière qui a été transformée chimiquement. Pour cela, nous utilisons le principe de la variation de masse (\(\Delta m\)). Nous comparons l'état du système avant la réaction et après la réaction. La différence observée correspond à la masse de cire qui a quitté le système (sous forme de gaz).
Mini-Cours
En sciences physiques, la masse (en grammes ou kilogrammes) mesure la quantité de matière. Elle ne doit pas être confondue avec le poids (en Newtons) qui est une force. Ici, nous mesurons bien une perte de matière solide.
Remarque Pédagogique
Il est crucial d'attendre que la bougie refroidisse avant la pesée finale pour deux raisons : d'abord pour la sécurité (ne pas se brûler), et ensuite pour éviter que les courants de convection de l'air chaud ne faussent la mesure de la balance électronique.
Normes
Les mesures de masse au collège se font généralement avec une balance électronique de précision (sensibilité 0,1g ou 0,01g). L'unité légale SI est le kilogramme, mais le gramme est plus adapté à cette échelle.
Formule(s)
Formules utilisées
Masse consommée
Variation de masse (Notation Delta)
Note : \(\Delta m\) serait négatif (-5g), indiquant une perte.
Hypothèses
Pour que ce calcul soit rigoureux, nous posons les hypothèses suivantes :
- Le système pesé comprend la bougie et son support.
- Seule la combustion est responsable de la perte de masse (pas d'évaporation accidentelle ou de morceaux cassés).
- Les coulures de cire qui ont coulé sur le support sont bien pesées dans la masse finale (elles n'ont pas brûlé, elles ont juste changé de forme).
Donnée(s)
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse initiale | \(m_{\text{i}}\) | 50 | \(\text{g}\) |
| Masse finale | \(m_{\text{f}}\) | 45 | \(\text{g}\) |
Astuces
Toujours vérifier que l'unité est la même pour les deux masses avant de soustraire. Ici, tout est en grammes, c'est parfait !
État Initial (t = 0 min)
Calcul(s) Détaillé(s)
Étape 1 : Identification des valeurs
Avant de calculer, nous repérons les valeurs numériques données dans l'énoncé ou mesurées :
- La masse au début de l'expérience est notée \(m_{\text{initiale}}\) et vaut 50 g (donnée du tableau).
- La masse à la fin de l'expérience est notée \(m_{\text{finale}}\) et vaut 45 g (donnée du tableau).
Étape 2 : Pose de l'opération
Nous utilisons la formule de la variation de masse. Pour trouver la quantité consommée, nous devons soustraire la masse finale (plus petite) à la masse initiale (plus grande).
Substitution des variables
Nous avons soustrait la masse finale à la masse initiale. La différence obtenue (5g) correspond exactement à la quantité de cire qui a brûlé.
Étape 3 : Résultat et Interprétation
Le résultat est positif (5 g), ce qui est logique : une combustion consomme du combustible, donc la masse restante est forcément plus petite que la masse de départ.
Schéma (Après combustion)
État Final (t = 30 min)
Réflexions
Ce résultat de 5g représente 10% de la masse initiale de la bougie. C'est une consommation significative mais qui laisse encore beaucoup de matière pour continuer l'expérience.
Points de vigilance
Attention au vocabulaire : la matière n'a pas été "détruite" (elle n'a pas cessé d'exister). Elle a été consommée ou transformée. Dire qu'elle a "disparu" est un abus de langage courant qu'il faut éviter en sciences.
Points à Retenir
L'essentiel à mémoriser :
- Dans une combustion à l'air libre, la masse du solide diminue.
- Masse consommée = Masse avant - Masse après.
Le saviez-vous ?
La cire d'une bougie contient beaucoup d'énergie chimique. 5 grammes de cire contiennent autant d'énergie que... l'explosion de 50g de TNT ! Heureusement, la combustion libère cette énergie très lentement.
FAQ
La mèche compte-t-elle dans la masse ?
Oui, la mèche brûle aussi, mais sa masse est négligeable (très petite) par rapport à la masse de cire consommée. On considère donc que la perte de masse vient quasi-exclusivement de la cire.
A vous de jouer
Si la masse initiale était de 120g et la masse finale de 105g, quelle serait la masse consommée ?
📝 Mémo
Une diminution de masse sur la balance = départ de matière (souvent sous forme de gaz).
Question 2 : Identifier l'état physique de la cire
Principe
Il faut observer attentivement une bougie allumée. Près de la mèche, la chaleur induit des changements d'état physique avant même la réaction chimique.
Mini-Cours
La matière peut changer d'état sous l'effet de la chaleur. Le passage de Solide à Liquide est la Fusion. Le passage de Liquide à Gaz est la Vaporisation. Ces changements sont physiques (réversibles) et non chimiques.
Observation détaillée
Le corps de la bougie est dur et froid. Au sommet, près de la flamme, il y a une "cuvette" remplie de liquide transparent. La mèche baigne dans ce liquide.
États Physiques de la Bougie
Mécanisme Physique
La cire ne brûle pas à l'état solide. Voici la séquence précise :
- Solide : C'est l'état de stockage (corps de la bougie).
- Fusion : La chaleur de la flamme fait fondre la cire solide en liquide.
- Capillarité : La cire liquide remonte le long de la mèche (comme le café dans un sucre).
- Vaporisation : Arrivée dans la zone très chaude de la flamme, la cire liquide se transforme en Gaz.
C'est ce gaz de cire qui brûle réellement !
Réponse
Au départ, la cire est Solide. Avec la chaleur, elle subit une fusion et devient Liquide. Enfin, elle se vaporise en Gaz pour alimenter la flamme.
Réflexions
Pourquoi la mèche ne brûle-t-elle pas instantanément ? Parce qu'elle est imbibée de cire liquide. Tant qu'il y a de la cire liquide qui monte, c'est la cire qui brûle et qui "refroidit" la mèche en s'évaporant.
Points de vigilance
Ne pas confondre "fondre" (changement d'état physique, solide vers liquide) et "brûler" (transformation chimique). La cire fond d'abord, puis brûle ensuite.
Question 3 : Expliquer où est passée la matière "disparue"
Principe
La balance indique une perte, mais la loi de Lavoisier dit que la matière se conserve. Il faut résoudre ce paradoxe en considérant le système dans son ensemble.
Mini-Cours
Loi de Lavoisier : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme." La masse totale de l'Univers est constante. Si une masse semble disparaître sur une balance, c'est souvent parce qu'elle s'est transformée en gaz qui s'est échappé.
Notion de Système Ouvert
Notre expérience est un système ouvert : l'air circule librement. Si la réaction produit des gaz, ils s'échappent dans la pièce et ne sont plus sur le plateau de la balance.
Réponse
La cire ne disparaît pas au sens magique du terme. Elle se transforme en gaz invisibles (principalement du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau) qui s'envolent et se dispersent dans l'air de la pièce. Si on avait réalisé la combustion dans un bocal hermétiquement fermé (système clos), la masse totale n'aurait pas changé (masse de la bougie + masse de l'air = constante).
Réflexions
C'est comme faire bouillir une casserole d'eau jusqu'à ce qu'elle soit vide. L'eau n'a pas disparu, elle est devenue vapeur dans la cuisine.
Points de vigilance
Attention : "Invisible" ne veut pas dire "Inexistant". L'air est invisible, mais il a une masse !
Question 4 : Identifier les réactifs et les produits
Principe
Une transformation chimique n'est pas une magie : c'est une redistribution des atomes. Il faut identifier ce qui est consommé (les réactifs) et ce qui est formé (les produits) pour écrire le bilan de la réaction.
Mini-Cours
Réactifs : Substances présentes au départ qui disparaissent au cours du temps.
Produits : Substances nouvelles qui apparaissent au cours du temps.
Remarque Pédagogique
Pour prouver la présence d'un gaz invisible, on utilise des tests caractéristiques. C'est la seule preuve scientifique valable au collège.
Identification et Preuves
- Réactif 1 : Paraffine (Cire). C'est le combustible qui diminue de masse.
- Réactif 2 : Dioxygène. Contenu dans l'air, il est nécessaire. Sans lui (sous un bocal), la flamme s'éteint.
- Produit 1 : Eau (H2O). On peut le prouver en plaçant un verre froid au-dessus de la flamme : de la buée (condensation) apparaît.
- Produit 2 : Dioxyde de carbone (CO2). On le prouve en récupérant les gaz et en les testant avec de l'eau de chaux : elle se trouble (devient blanche).
Bilan Littéral
Note : Si la combustion est incomplète (manque d'air), il se forme aussi du Carbone (suie noire) et du Monoxyde de carbone (gaz toxique).
Réflexions
Comment sait-on qu'il y a du dioxygène dans l'air ? Parce que c'est le seul gaz courant qui permet la combustion (comburant). L'azote, majoritaire dans l'air, ne réagit pas ici.
Points de vigilance
Ne confondez pas "fumée noire" et "dioxyde de carbone". La fumée noire est du carbone solide (suie) imbrûlé, signe d'une mauvaise combustion. Le CO2 est un gaz parfaitement invisible.
Question 5 : Déterminer la vitesse de combustion
Principe
La vitesse de combustion représente la quantité de matière brûlée par unité de temps. C'est un calcul de "débit" ou de "rythme" de consommation, analogue à une vitesse de déplacement (km/h) mais pour une masse.
Mini-Cours
En chimie, la cinétique (l'étude de la vitesse) est importante. Ici, nous calculons une vitesse moyenne. L'unité sera exprimée en "grammes par minute" (g/min), ce qui signifie : "combien de grammes disparaissent chaque minute".
Remarque Pédagogique
Ce calcul a une utilité très pratique : il permet d'estimer la durée de vie totale d'une bougie. Si vous connaissez sa masse totale et sa vitesse de combustion, vous savez combien de temps elle éclairera !
Normes
Bien que l'unité du Système International pour la masse soit le kg et pour le temps la seconde (s), pour des phénomènes lents et légers comme une bougie, l'unité usuelle g/min ou g/h est bien plus parlante.
Formule(s)
Formule de la vitesse moyenne
Avec \(m\) en grammes et \(t\) en minutes.
Hypothèses
Nous supposons que la vitesse de combustion est constante sur la durée de l'expérience (régime permanent). En réalité, elle peut varier légèrement si la mèche s'allonge ou s'il y a des courants d'air.
Donnée(s)
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse consommée (résultat Q1) | \(m\) | 5 | \(\text{g}\) |
| Temps écoulé (énoncé) | \(t\) | 30 | \(\text{min}\) |
Astuces
Calcul mental : Diviser par 30 revient à diviser par 3, puis diviser le résultat par 10. \(5 \div 3 \approx 1,66\). Divisé par 10, cela donne \(0,166\).
Concept : Débit de cire
Calcul(s) Détaillé(s)
Étape 1 : Identification des valeurs
Pour calculer la vitesse, nous avons besoin de deux informations clés que nous avons identifiées précédemment :
- La masse consommée (\(m\)), calculée à la Question 1, est de 5 g.
- La durée de l'expérience (\(t\)), donnée dans l'énoncé, est de 30 min.
Étape 2 : Pose de l'opération
Nous appliquons la formule de la vitesse moyenne \( V = \frac{m}{t} \) en remplaçant les lettres par nos chiffres :
Substitution
Cela revient à diviser 5 par 30 pour savoir combien de grammes sont consommés en une seule minute.
Étape 3 : Calcul et Arrondi
La division donne \(0,16666...\). En physique-chimie, on arrondit généralement le résultat pour qu'il soit lisible et significatif. Ici, nous arrondissons au centième (deux chiffres après la virgule) :
Le troisième chiffre après la virgule étant un 6 (supérieur à 5), nous arrondissons le 16 en 17.
Schéma (Résultat)
Vitesse Calculée
Réflexions
Cela signifie que chaque minute, un peu moins de 0,2g de cire est transformée en gaz. C'est une combustion lente, typique des bougies décoratives. Une combustion trop rapide produirait beaucoup de fumée (suie).
Points de vigilance
N'oubliez jamais l'unité ! Écrire "V = 0,17" est incomplet et considéré comme faux. Il faut préciser "g/min". De plus, vérifiez toujours que vous divisez la masse par le temps, et non l'inverse (qui donnerait des min/g !).
Points à Retenir
Pour calculer une vitesse de consommation :
- Identifier la masse consommée (pas la masse totale !).
- Identifier le temps correspondant.
- Diviser la masse par le temps.
Le saviez-vous ?
La vitesse de combustion dépend de la largeur de la bougie et surtout du diamètre de la mèche. Une mèche plus épaisse aspire plus de cire liquide par capillarité, ce qui augmente la taille de la flamme et la vitesse de consommation.
FAQ
La vitesse est-elle constante ?
Approximativement oui, tant que la mèche garde une longueur constante. Si la bougie se creuse trop et que la mèche "noie" dans la cire liquide, la vitesse diminue drastiquement.
A vous de jouer
Si la bougie a une masse de 50g au total, combien de temps (en minutes) pourra-t-elle brûler théoriquement à cette vitesse ? (t = m / V)
📝 Mémo
Vitesse = Masse / Temps. C'est le "rythme" de la réaction chimique.
Schéma Bilan de l'Exercice
Ce schéma résume l'ensemble des grandeurs calculées et la transformation chimique.
📝 Grand Mémo : Ce qu'il faut retenir absolument
Voici la synthèse des points clés méthodologiques et physiques abordés dans cet exercice :
-
🔑
Point Clé 1 : [Combustion]
Réaction chimique nécessitant un combustible (cire), un comburant (O₂) et de l'énergie. -
📐
Point Clé 2 : [Lavoisier]
La masse totale se conserve lors d'une transformation chimique : m(réactifs) = m(produits). -
⚠️
Point Clé 3 : [Système Ouvert]
Si les produits sont gazeux, la masse mesurée diminue car les gaz s'échappent, mais la matière existe toujours. -
💡
Point Clé 4 : [Application]
Savoir calculer une masse consommée (m_i - m_f) et une vitesse de combustion (m/t).
🎛️ Simulateur interactif
Modifiez les paramètres pour voir l'impact sur le graphique.
Paramètres
📝 Quiz final : Testez vos connaissances
1. Quel est le comburant dans la combustion de la bougie ?
2. La masse totale se conserve-t-elle lors de la combustion ?
📚 Glossaire
- Combustion
- Réaction chimique exothermique entre un combustible et un comburant.
- Comburant
- Substance permettant la combustion (généralement le dioxygène O2 de l'air).
- Combustible
- Substance qui brûle (ici, la Cire/Paraffine).
- Fusion
- Passage de l'état Solide à l'état Liquide sous l'effet de la chaleur.
- Lavoisier
- Antoine Lavoisier, chimiste français qui a énoncé la loi de conservation de la masse.
Le Saviez-vous ?
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