Etude d`une chaudière à gaz

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21èmes Olympiades nationales de la Chimie. Académie de Lille. Sujet théorique.
OLYMPIADES DE LA CHIMIE 2005
Concours régional de l’Académie de Lille
Epreuve théorique
Durée : 2 heures
Calculatrice autorisée.
Mots-clés :
Eau chaude sanitaire – énergie de combustion – eau dure – dosage complexométrique
de la dureté de l’eau – entartrage – détartrant pour cafetière – adoucisseur d’eau –
échange d’ions - résine polystyrène DVB
CHIMIE ET HABITAT
L’eau chaude sanitaire : de la production à la distribution.
L'eau chaude sanitaire constitue un élément de confort essentiel dans l'habitat. Ce confort prévoit
la disponibilité permanente d'eau à la température idéale.
Pour produire de l’eau chaude sanitaire on peut utiliser une chaudière à gaz. Aujourd'hui, le
choix d'un chauffage est déterminant dans les budgets des ménages. Il faut en effet savoir qu’en
moyenne 73 % de la consommation totale d'énergie sont consacrés à la production d’eau chaude
sanitaire et au chauffage pour un logement récent en maison individuelle.
La qualité de l’eau chaude sanitaire et des réseaux de distribution est très importante. En effet l’eau
chaude sanitaire doit être maintenue à température suffisamment élevée (60°C) pendant tout son
trajet dans les tuyaux de distribution afin de limiter la prolifération des bactéries comme les
légionelles. Par ailleurs l’élévation de température favorise le dépôt de tartre dans l’installation.
L’entartrage des appareils et des canalisations étant néfaste, il est nécessaire d’éliminer les dépôts

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de tartre ou de traiter préventivement l’eau chaude sanitaire pour éviter l’entartrage si l’eau
distribuée est dure.

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PRODUCTION D’EAU CHAUDE SANITAIRE
Besoins en énergie :
Une famille consomme chaque jour en moyenne 300 L d’eau chaude sanitaire.
1. Pour augmenter de 1 °C la température de 1 kg d'eau, il faut fournir 4,18 kJ (quelle que soit
sa température initiale). Déterminer l’énergie E nécessaire pour chauffer 300 L d'eau chaude
sanitaire de 15 °C à 60 °C.
Combustion :
La chaudière à gaz peut être alimentée par le gaz naturel ou par le butane. Déterminons quel est le
meilleur combustible.
Le gaz naturel est composé essentiellement de méthane CH4. Ce gaz fossile est dit naturel car il
résulte de la transformation naturelle de matières organiques.
Les réactions chimiques de combustion complète des alcanes dans le dioxygène produisent du
dioxyde de carbone et de l'eau. On considère que les réactifs et les produits sont à l'état gazeux et
que les états initial et final sont à la même température (25 °C) et à la même pression (1 bar).
L’équation chimique de la réaction de combustion complète du méthane est :
CH4 (g) + 2 O2 (g) = CO2 (g) + 2 H2O (g)
2. Décrire un test chimique pour mettre en évidence le dioxyde de carbone.
3. Donner la représentation de Lewis des molécules de méthane, dioxygène, dioxyde de
carbone et eau :
méthane : dioxyde de carbone :
dioxygène : eau :
On donne ci-dessous les valeurs des énergies de quelques liaisons :
Liaison A - B
D(A-B) Energie de liaison à 25°C (en kJ.mol-1)
C - H
410
C - C
348
C = C
612
O - H
460
C = O (dans CO2)
795
O = O
494

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4. Déterminer l’énergie de la réaction de combustion d’une mole de méthane Qméthane (formule
puis calcul) :
5. Écrire l'équation chimique de la réaction de combustion complète du butane :
6. L’énergie de la combustion d’une mole de butane est Qbutane = – 2,61.103 kJ.mol-1.
Pourquoi cette valeur est-elle négative ? Expliquer ce que cela signifie :
Coût du gaz :
 GDF facture le gaz naturel au prix de 0,030 € par kilowattheure (kWh) consommé (Rappel :
1 kWh = 3600 kJ).
 Le butane est commercialisé en bouteilles contenant 13 kg de gaz au prix de 25,00 €.
7. Déterminer le coût de l’énergie dépensée chaque jour pour la production d’eau chaude
sanitaire si la chaudière fonctionne au méthane.
8. Quelle est la quantité de matière de butane qu’il faut brûler chaque jour pour fournir
l’énergie nécessaire à la production d’eau chaude ?
9. Quel est le coût de l’énergie dépensée chaque jour pour la production d’eau chaude sanitaire
si la chaudière fonctionne au butane ?
Emissions de dioxyde de carbone :
10. Quelles sont les conséquences d’une augmentation de la teneur en CO2 dans l’atmosphère ?

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11. Déterminer la quantité de dioxyde de carbone produite chaque jour si la chaudière
fonctionne au méthane :
12. Déterminer la quantité de dioxyde de carbone produite chaque jour si la chaudière
fonctionne au butane :
13. Quel gaz choisir ?
Pour des raisons économiques :
Pour des raisons écologiques :
Conclusion :
DURETE DE L’EAU
L’eau du robinet est souvent dure à cause du sous sol calcaire. On trouve dans le Nord une eau
dont la dureté est la plus importante de France.
La dureté d'une eau est égale à la somme des concentrations en ions Mg2+ et Ca2+ exprimée en
mol.L-1. En France, cette dureté est donnée par le titre hydrotimétrique (TH) : TH = 104 x C
(où C est la somme des concentrations en ions Mg2+ et Ca2+ exprimée en mol.L-1).
Une eau est qualifiée de « douce » si son TH est inférieur à 12 ; elle est dite « dure » si son TH est
supérieur à 12, voire « très dure » s’il est supérieur à 35.
La dureté d’une eau est déterminée par dosage avec une solution de sel disodique de l’EDTA en
milieu tamponné de pH = 10 en présence de noir ériochrome T (NET).
On notera M2+ indifféremment les ions Ca2+ ou Mg2+
L’EDTA est un tétracide que nous noterons H4Y.
Le noir ériochrome T est aussi un polyacide que nous noterons H3In dont la forme prépondérante
dépend du pH de la solution :
Le NET complexe les cations M2+ pour donner l’espèce MIn- de couleur rouge-violet, stable quel
que soit le pH. Ce complexe ne peut être détruit que par un complexant plus fort, l’EDTA, lorsqu’il
n’y a plus d’ions M2+ libres.
14. Quelle est l’espèce présente dans la solution de sel disodique d’EDTA ?
15. Ecrire l’équation de la réaction de titrage.
pH
In3-
HIn2-
H2In-
H3In
2,0
6,3
11,6
rouge
bleu
orangé