La Combustion du Butane - Exercice corrigé

Contexte : Le réchaud de camping

Lors d'une sortie en camping, Lucas utilise un réchaud à gaz pour faire bouillir de l'eau. La cartouche contient du butaneGaz combustible de formule \(\text{C}_4\text{H}_{10}\), souvent utilisé dans les bouteilles domestiques.. En brûlant, le gaz réagit avec l'air pour produire de la chaleur, mais aussi de nouvelles substances.

Remarque Pédagogique : Cet exercice permet de comprendre comment la matière se transforme lors d'une combustion et d'appliquer le principe de conservation de la masse.

Objectifs Pédagogiques

Identifier les réactifs et les produits d'une transformation chimique.
Écrire le bilan littéral d'une combustion.
Appliquer la loi de conservation de la masse (Lavoisier).

Données de l'expérience

On réalise la combustion complète d'une certaine masse de butane dans une enceinte fermée contenant du dioxygène. On pèse les réactifs avant la réaction et les produits après.

Fiche Technique / Données

Substance	Rôle
Butane	CombustibleLa substance qui brûle.
Dioxygène	ComburantLa substance qui permet la combustion (présente dans l'air).

Schéma : Le Triangle du Feu

Grandeur	Symbole	Valeur Initiale	Unité
Masse de Butane brûlé	\(m_{\text{butane}}\)	5,8	\(\text{g}\)
Masse de Dioxygène consommé	\(m_{\text{dioxygène}}\)	?	\(\text{g}\)
Masse de CO₂ produite	\(m_{\text{CO}_2}\)	17,6	\(\text{g}\)
Masse d'Eau produite	\(m_{\text{eau}}\)	9,0	\(\text{g}\)

Questions à traiter

Quels sont les réactifs et les produits de cette transformation ?
Écrire le bilan littéral de la réaction.
Rappeler la loi de conservation de la masse.
Calculer la masse de dioxygène nécessaire pour brûler les 5,8 g de butane.
Comment identifie-t-on le dioxyde de carbone produit ?

Les bases théoriques

Pour résoudre cet exercice, il faut maîtriser les notions de transformation chimique et de conservation de la matière.

1. Transformation Chimique
Au cours d'une réaction chimique, des substances disparaissent (les réactifs) et de nouvelles substances apparaissent (les produits).

\text{Réactifs} \rightarrow \text{Produits}

2. Loi de Lavoisier
"Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme." La masse totale se conserve lors d'une transformation chimique.

m_{\text{réactifs}} = m_{\text{produits}}

La masse totale avant la réaction est égale à la masse totale après la réaction.

3. Combustion Complète
Une combustion est dite complète s'il y a assez de dioxygène. Elle produit uniquement du dioxyde de carbone et de l'eau (et de l'énergie thermique).

Flamme bleue = combustion complète (chaleur intense).
Flamme jaune = combustion incomplète (risque de monoxyde de carbone).

Correction : La Combustion du Butane

Question 1 : Réactifs et Produits

Principe

Pour identifier les acteurs de la réaction, on doit distinguer ce qui est consommé au départ (réactifs) de ce qui est formé à l'arrivée (produits).

Mini-Cours

Le combustible est la matière qui brûle (ex: bois, gaz). Le comburant est le gaz qui permet la combustion (dioxygène). Les produits sont les résultats de la réaction.

Remarque Pédagogique

Imaginez la réaction comme une recette de cuisine : les réactifs sont les ingrédients (oeufs, farine) et les produits sont le gâteau cuit. Les ingrédients disparaissent pour former le gâteau.

Normes

Programme de Chimie Cycle 4 : "Identifier les espèces chimiques consommées et produites lors d'une transformation".

Hypothèses

On suppose ici que la combustion est "complète", c'est-à-dire qu'il y a suffisamment d'air pour brûler tout le gaz proprement.

Le gaz utilisé est du butane pur.
L'air fournit le dioxygène nécessaire.

Donnée(s)

Type	Substances
Réactifs (avant)	Butane + Dioxygène
Produits (après)	Dioxyde de carbone + Eau

Astuces

Astuce mnémotechnique : Les Réactifs Restent au début (ou sont "Repas"), les Produits Paraissent à la fin.

Schéma

Les Acteurs de la Réaction

Réflexions

Le butane et le dioxygène ne disparaissent pas par magie, leurs atomes se réorganisent pour former de l'eau et du CO2.

Points de vigilance

Ne confondez pas "fumée" et "gaz". Le dioxyde de carbone est un gaz invisible. La fumée noire visible lors d'un incendie est composée de particules solides de carbone (suie), signe d'une combustion incomplète.

Points à Retenir

L'essentiel à mémoriser :

Réactifs : Butane (combustible), Dioxygène (comburant)
Produits : Dioxyde de carbone, Eau

Le saviez-vous ?

Le dioxygène ne représente que 21% de l'air. L'azote (78%) est aussi présent mais ne participe pas à la combustion, il est "spectateur".

FAQ

Pourquoi la flamme chauffe-t-elle ?

La réaction chimique libère de l'énergie chimique stockée dans le gaz sous forme de chaleur (réaction exothermique).

Réactifs : Butane, Dioxygène. Produits : Eau, Dioxyde de Carbone.

📝 Mémo
Combustible + Comburant = Feu (Produits + Chaleur).

Question 2 : Le Bilan Littéral

Principe

Le bilan est une phrase mathématique simplifiée qui décrit la réaction. On utilise les noms des substances chimiques, reliés par des "+" et une flèche qui signifie "donne".

Mini-Cours

La convention d'écriture est toujours :
Réactifs \(\rightarrow\) Produits.
Le signe "+" se lit "réagit avec" (à gauche) ou "et" (à droite).

Remarque Pédagogique

La flèche est essentielle : elle indique le sens de l'écoulement du temps. On passe de l'état "avant" à l'état "après".

Hypothèses

On considère la réaction idéale sans pertes ni réactions secondaires.

Donnée(s)

Entrée	Sortie
Butane, Dioxygène	Dioxyde de carbone, Eau

Astuces

Remplacez mentalement "donne", "forme" ou "produit" par la flèche \(\rightarrow\) dans l'énoncé.

Schéma

Modèle Moléculaire Simplifié

Formule(s) / Écriture

Bilan littéral de la réaction

On écrit d'abord les réactifs à gauche, séparés par un "+", puis une flèche, et enfin les produits à droite.

\text{Butane} + \text{Dioxygène} \rightarrow \text{Dioxyde de carbone} + \text{Eau}

Cette écriture signifie : "Une molécule de butane réagit avec du dioxygène pour former du dioxyde de carbone et de l'eau".

Réflexions

Cette écriture est universelle. Un chimiste chinois ou américain comprendrait cette réaction même sans lire le français grâce aux formules chimiques (\(\text{C}_4\text{H}_{10} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}\)).

Points de vigilance

N'utilisez jamais le signe "=" en chimie pour une réaction ! Le "=" implique une égalité mathématique réversible, alors que la combustion est une transformation irréversible (on ne peut pas refaire du gaz avec de la fumée).

Points à Retenir

L'équation bilan doit toujours être équilibrée (conservation des atomes), mais ici on demande juste le bilan littéral (avec les mots).

Le saviez-vous ?

Antoine Lavoisier est considéré comme le "père de la chimie moderne" pour avoir systématisé cette façon d'écrire et de comprendre les réactions.

FAQ

Est-ce grave si j'inverse l'ordre des réactifs ?

Non ! "Butane + Dioxygène" est strictement identique à "Dioxygène + Butane". L'ordre n'importe pas du même côté de la flèche.

Butane + Dioxygène \(\rightarrow\) Dioxyde de carbone + Eau

📝 Mémo
Réactifs à gauche \(\rightarrow\) Produits à droite.

Question 3 : Loi de Conservation

Principe

En chimie, rien ne se perd. La quantité de matière présente au début est exactement la même que celle présente à la fin, même si elle change de forme.

Théorie

C'est la Loi de Lavoisier : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme". Cela signifie que la masse totale se conserve lors de toute transformation chimique.

Remarque Pédagogique

Si vous pesez une bougie qui brûle, la masse diminue. Pourquoi ? Parce que le gaz part dans l'air ! Mais si vous faites brûler la bougie dans un bocal fermé posé sur une balance, la masse ne changera pas d'un gramme.

Hypothèses

Cette loi est valable universellement pour les réactions chimiques classiques (hors réactions nucléaires).

Astuces

Pensez à des Lego : si vous démontez une maison en Lego (Réactifs) pour construire une voiture (Produits), le poids des briques reste le même.

Schéma

La Balance de la Chimie

Formule(s)

Expression mathématique de la loi

La somme des masses de tous les réactifs est égale à la somme des masses de tous les produits.

m_{\text{total réactifs}} = m_{\text{total produits}}

C'est cette égalité fondamentale qui nous permettra de faire des calculs.

Réflexions

Cette loi est très puissante : elle nous permet de calculer des masses qu'on ne peut pas peser directement (comme la masse d'un gaz qui s'échappe).

Points de vigilance

Attention : le volume ne se conserve pas forcément (un liquide peut devenir un gaz très volumineux), seule la masse se conserve strictement.

Points à Retenir

Masse avant = Masse après.

Le saviez-vous ?

Lavoisier a découvert cette loi en utilisant des balances très précises pour son époque (XVIIIe siècle).

FAQ

Pourquoi la masse semble diminuer quand je brûle du bois ?

C'est une illusion ! La masse manquante est partie sous forme de gaz (fumée, CO2, vapeur d'eau) dans l'atmosphère.

Loi de conservation de la masse (Lavoisier).

📝 Mémo
"Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme."

Question 4 : Calcul de la masse de dioxygène

Principe

Nous allons utiliser l'équation mathématique issue de la loi de conservation pour trouver une valeur manquante. C'est un problème à trou.

Mini-Cours

On pose une égalité (équation) où la somme des masses à gauche (réactifs) est égale à la somme des masses à droite (produits). On cherche l'inconnue \(x\).

Remarque Pédagogique

C'est exactement comme une addition à trou en mathématiques : si 5 + ? = 12, alors ? = 12 - 5 = 7.

Normes

Calculs de proportionnalité et conservation de masse (Socle commun de compétences).

Hypothèses

On considère que tout le butane a réagi (combustion complète) et que les mesures de masse sont précises.

Formule(s)

Loi de conservation appliquée à notre cas

On écrit l'égalité des masses pour cette réaction précise :

m_{\text{butane}} + m_{\text{dioxygène}} = m_{\text{CO}_2} + m_{\text{eau}}

La somme des masses des réactifs (butane + dioxygène) est égale à la somme des masses des produits (CO2 + eau).

Données

Masse Butane	Masse CO₂	Masse Eau
5,8 g	17,6 g	9,0 g

Astuces

Commencez toujours par calculer la masse totale du côté où vous avez toutes les valeurs (ici les produits).

Schéma (Avant les calculs)

Équation à trous visuelle

Calculs Détaillés

Procédons étape par étape pour ne pas nous perdre :

1. Calculons d'abord la masse totale des produits formés :
On additionne la masse de dioxyde de carbone et la masse d'eau pour connaître la masse totale à l'arrivée.

\begin{aligned} m_{\text{produits}} &= m_{\text{CO}_2} + m_{\text{eau}} \\ m_{\text{produits}} &= 17,6 + 9,0 \\ m_{\text{produits}} &= \mathbf{26,6 \text{ g}} \end{aligned}

Nous savons donc que 26,6 g de matière ont été produits au total.

2. Appliquons la loi de conservation (Masse Réactifs = Masse Produits) :
La masse totale au début (butane + dioxygène) doit être strictement égale à ces 26,6 g.

\begin{aligned} m_{\text{butane}} + m_{\text{dioxygène}} &= m_{\text{produits}} \\ 5,8 + m_{\text{dioxygène}} &= 26,6 \end{aligned}

Nous avons maintenant une équation à une inconnue.

3. Isolons l'inconnue (\(m_{\text{dioxygène}}\)) :
Pour trouver ce qu'il manque pour aller de 5,8 à 26,6, on effectue une soustraction.

\begin{aligned} m_{\text{dioxygène}} &= 26,6 - 5,8 \\ m_{\text{dioxygène}} &= \mathbf{20,8 \text{ g}} \end{aligned}

Le résultat est de 20,8 g. C'est la masse de dioxygène consommée.

Schéma (Après les calculs)

Résultat visuel

m(O₂) = 20,8 g

Le compte est bon : 5,8 + 20,8 = 26,6

Réflexions

On remarque que la masse de dioxygène (20,8 g) est bien supérieure à celle du butane (5,8 g). Cela est logique : il faut beaucoup d'air pour brûler un peu de gaz (environ 15 kg d'air pour 1 kg de gaz en réalité).

Points de vigilance

Attention aux unités ! Toutes les masses doivent être dans la même unité (ici en grammes) avant de faire les additions ou soustractions. Si vous aviez des kg et des g, il faudrait tout convertir.

Points à Retenir

La méthode universelle : Masse Inconnue = (Somme des masses connues en face) - (Somme des masses connues du même côté).

Le saviez-vous ?

Dans les conditions normales, 1 litre de butane pèse environ 2,5 g, mais 1 litre de dioxygène pèse environ 1,4 g. Les volumes de gaz en jeu sont donc importants.

FAQ

Peut-on avoir une masse négative ?

Jamais ! Une masse est toujours positive. Si vous trouvez un résultat négatif, vous avez probablement inversé l'opération (ex: 5,8 - 26,6 au lieu de l'inverse).

Il a fallu 20,8 g de dioxygène.

A vous de jouer
Si on avait obtenu 44 g de CO₂ et 22,5 g d'eau avec 14,5 g de butane, quelle masse de dioxygène aurait été consommée ?

Indice : Calculez d'abord la masse totale des produits (44 + 22,5).

📝 Mémo
Masse Inconnue = Masse Totale Finale - Masse Connue Initiale.

Question 5 : Identification du CO₂

Principe

En chimie, on ne peut pas "goûter" ou "sentir" les produits pour les identifier (c'est dangereux !). On utilise des tests chimiques caractéristiques : une réaction spécifique qui change de couleur.

Mini-Cours

Chaque gaz courant a son test de reconnaissance :

Dioxygène (\(\text{O}_2\)) : Rallume une bûchette incandescente.
Dihydrogène (\(\text{H}_2\)) : Fait "aboyer" (pop !) une flamme.
Dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)) : Trouble l'eau de chaux.

Remarque Pédagogique

L'eau de chaux est une solution saturée d'hydroxyde de calcium. Au contact du CO2, elle forme du carbonate de calcium (du calcaire !), ce qui la rend blanche.

Hypothèses

On suppose que le gaz récupéré est pur ou en concentration suffisante pour faire réagir le test.

Donnée(s)

Le réactif test utilisé est l'eau de chaux.

Astuces

Pour retenir : "C-O-2" rime avec "Chaux" (approximativement) et "Trouble" comme le "T" de Test.

Schéma (Avant le test)

1. Tube témoin (Avant)

Réponse

Le test caractéristique du dioxyde de carbone est le test à l'eau de chaux. Si le gaz est du CO2, l'eau de chaux se trouble (formation d'un précipité blanc).

Schéma (Après le test)

2. Test Positif (Après)

Réflexions

C'est le même test qu'on utilise pour prouver qu'on rejette du CO2 en respirant (en soufflant dans de l'eau de chaux avec une paille).

Points de vigilance

Si on attend trop longtemps, le trouble peut disparaître (réaction inverse). Le test doit être lu rapidement.

Points à Retenir

Test du CO2 = Eau de chaux qui blanchit.

Le saviez-vous ?

Le précipité blanc est du calcaire solide (\(\text{CaCO}_3\)), le même que celui qui entartre les robinets !

FAQ

Est-ce que l'eau de chaux est dangereuse ?

Elle est irritante (basique). Il faut porter des lunettes de protection lors de sa manipulation.

On identifie le CO2 car il trouble l'eau de chaux.

A vous de jouer
Quelle est la couleur du précipité formé lors du test positif ?

📝 Mémo
CO2 + Eau de chaux = Lait (apparence).

Schéma Bilan de l'Exercice

Illustration de la conservation de la masse lors de la combustion.

📝 Grand Mémo : Ce qu'il faut retenir

Synthèse pour la classe de 5ème :

🔥
Combustion
Nécessite un combustible (butane) et un comburant (dioxygène).
⚖️
Loi de Lavoisier
La masse totale des réactifs disparus est égale à la masse totale des produits formés.
🧪
Eau de chaux
Elle se trouble au contact du dioxyde de carbone.
⚠️
Danger
Si le dioxygène manque, la combustion est incomplète et produit du monoxyde de carbone (gaz toxique).

"Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme." - Antoine Lavoisier

🎛️ Simulateur : Conservation de la masse

Ajustez les masses des réactifs pour vérifier que la masse totale se conserve toujours.

Réactifs (Avant réaction)

Masse Butane (g) : 10

Masse Dioxygène (g) : 36

Masse Totale Réactifs : -

Masse Totale Produits : -

📝 Quiz final : Avez-vous tout compris ?

1. Quel gaz est indispensable pour faire brûler le butane ?

Le dioxyde de carbone
Le dioxygène
L'azote

2. Si je brûle 10g de butane avec 35g de dioxygène, quelle sera la masse totale des produits formés ?

45 g
25 g

📚 Glossaire 5ème

Combustion: Transformation chimique qui dégage de la chaleur et de la lumière.
Réactif: Substance présente au début et qui est consommée lors de la réaction.
Produit: Substance nouvelle qui se forme lors de la réaction.
Combustion incomplète: Combustion qui manque de dioxygène, produisant une flamme jaune et du carbone (suie).
Eau de chaux: Réactif test qui permet de mettre en évidence la présence de dioxyde de carbone.

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Objectifs Pédagogiques

Données de l'expérience

Fiche Technique / Données

Schéma : Le Triangle du Feu

Questions à traiter

Les bases théoriques

Correction : La Combustion du Butane

Question 1 : Réactifs et Produits

Principe

Mini-Cours

Remarque Pédagogique

Normes

Hypothèses

Donnée(s)

Astuces

Schéma

Les Acteurs de la Réaction

Réflexions

Points de vigilance

Points à Retenir

Le saviez-vous ?

FAQ

Question 2 : Le Bilan Littéral

Principe

Mini-Cours

Remarque Pédagogique

Hypothèses

Donnée(s)

Astuces

Schéma Modèle Moléculaire Simplifié Butane + Dioxygène CO₂ + Eau

Modèle Moléculaire Simplifié

Formule(s) / Écriture

Réflexions

Points de vigilance

Points à Retenir

Le saviez-vous ?

FAQ

Question 3 : Loi de Conservation

Principe

Théorie

Remarque Pédagogique

Hypothèses

Astuces

Schéma

La Balance de la Chimie

Formule(s)

Réflexions

Points de vigilance

Points à Retenir

Le saviez-vous ?

FAQ

Question 4 : Calcul de la masse de dioxygène

Principe

Mini-Cours

Remarque Pédagogique

Normes

Hypothèses

Formule(s)

Données

Astuces

Schéma (Avant les calculs)

Équation à trous visuelle

Calculs Détaillés

Schéma (Après les calculs)

Résultat visuel

Réflexions

Points de vigilance

Points à Retenir

Le saviez-vous ?

FAQ

Question 5 : Identification du CO₂

Principe

Mini-Cours

Remarque Pédagogique

Hypothèses

Donnée(s)

Astuces

Schéma (Avant le test)

1. Tube témoin (Avant)

Schéma

Modèle Moléculaire Simplifié