TP SP6 : Réactions de combustion et énergétique

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© F Arnould – Lycée Mendès France EPINAL
TP SP6 : Réactions de combustion et énergétique
Introduction
Pour vivre un organisme a besoin d'énergie. Le métabolisme représente la dépense énergétique pour assurer une série de
fonctions telles que le maintien des activités vitales, la thermorégulation, le travail musculaire, etc...
La source d'énergie, c'est l'alimentation. Glucides, lipides et protides apportent des composés organiques qui vont être brûlés
par l'organisme.
Évidemment le rôle des aliments ne se limite pas à cet aspect énergétique. Pensons aux besoins en vitamines, oligo-éléments, ...
1) Etude d'une réaction de combustion
.1 A l'aide du matériel cité ci-dessous, proposer un mode opératoire pour identifier un ou des produits obtenus après la
combustion d'un morceau de sucre (saccharose)
- Flacon fermé contenant du dioxygène O2 ; morceau de sucre (saccharose C12H22O11) ; eau de chaux ; allumettes ; bec bunsen
.2 Après cette étude expérimentale, nommer les réactifs et les produits intervenants dans cette réaction et écrire l'équation
chimique de cette réaction.
2) Evaluation d'une chaleur de combustion
2.1 - Principe
On va s'attacher à voir comment on peut déterminer le contenu énergétique d'un aliment (à titre d'exemple une noisette fraîche).
Schématiquement il suffit de brûler cet aliment et de recueillir et mesurer l'énergie dégagée sous forme de chaleur. C'est de la
CALORIMETRIE.
Comment mesurer cette énergie calorifique dégagée ? On va utiliser cette énergie pour chauffer une masse d'eau connue. En
admettant qu'il n'y pas de pertes (ce qui n'est pas le cas) et sachant que par définition 1 calorie (1 cal=4,184 J) c'est la quantité
de chaleur pour élever d'un degré un gramme d'eau, il suffira de mesurer l'échauffement ∆ de la masse meau de l’eau et de
calculer l’énergie nécessaire pour produire cet échauffement (voir formule plus bas).
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Attention aux confusions dans les unités : en diététique le terme calorie représente (ou
représentait... cette confusion apparaît encore) en fait 1000 calories (1 kcal)
"physiques". Actuellement on utilise le kilojoule kJ (4,2 kJ = 1 kcal).
2.2 - Le mode opératoire
o Déterminer la masse mcanette d’une canette en aluminium vide.
o La remplir d’environ 200 g d’eau. Essuyer toute trace d’eau sur le couvercle.
o Déterminer la masse m canette + eau de la canette et son contenu.
o Mesurer la température initiale de l’eau i.
o Préparer le montage (voir schéma ci-contre).
o Déterminer la masse m du fruit sec avec précision.
o Placer le fruit sec dans la pince crocodile.
o Placer la cheminée (cylindre en aluminium) en la posant sur les 3 bouchons.
o Soulever la cheminée et enflammer le fruit sec à l’aide d’une allumette.
o Replacer délicatement la cheminée (attention aux courants d'air).
o Attendre que le fruit sec soit totalement consumé (environ 5 minutes).
o Remuer l’eau et mesurer la température f du mélange final.
o Déterminer la masse m’ du résidu de fruit brûlé.
2.3 - Tableau des résultats de mesures :
.3 Compléter le tableau à l'aide de vos mesures et de la partie 2.4.
Fruit sec
mcanette
mcanette+eau
meau
m
m'
i
f
Unités
g
g
g
°C
°C
g
g
Thermomètre
Canette
Cheminée
Amande
Bouchons
m = m-m'
E
g
kJ/100g
Ecart
relatif
Mesures
2.4 - Formules et valeurs utiles pour compléter le tableau :
Tableau des valeurs énergétiques de quelques fruits secs :
Aliment
Calories (kcal / 100g)
Joules (kJ / 100g)
Amande sèche
620
2592
Arachide grillée
636
2658
Noisette
656
2658
L’énergie libérée par la combustion de la masse m de fruit sec est reçue par l’eau (sous forme de chaleur) ; sa température
augmente. La chaleur Q reçue par l’eau est liée à la masse de l’eau, à la variation de la température et à un coefficient C par la
relation : Q = meau  Ceau (f - i)
Avec la « chaleur massique de l’eau » Ceau = 4,184 J.°C-1.g-1.
Remarque : une partie de l’énergie libérée par la combustion est reçue par l’aluminium (canette) et par l’air. Pour simplifier les
calculs, on ne tiendra pas compte de ces facteurs.
m ×C eau  f −i 
L’énergie E libérée par la combustion de 100 g de fruit sec est donnée par : E= eau
×100kJ /100g
1000× m
| E expérimental − E théorique |
L’écart relatif entre la valeur attendue et la valeur expérimentale se calcule par la relation : =
E théorique
2.5 – Pour aller plus loin
.4 A partir des données ci-dessous, estimez la masse de fruits secs (amandes, à consommer pour assurer vos besoins
énergétiques (évidemment ce n’est pas une alimentation)
Calcul du métabolisme de base (estimation selon la formule de Harris & Benedict) (M.B. en kcal) (1 kcal = 4.2 kJ) :
Pour un homme :
M B = 66,5 + (13,75  masse) + (5,003  taille) – (6,775  âge)
Pour une fille :
M B = 655,1 + (9,5663  masse) + (1,85  taille) – (4,676  âge)
Avec taille en cm , masse en kg et âge en an
Coefficient multiplicateur appliqué au métabolisme de base en fonction de l'activité :
Adolescent scolarisé et ayant une activité légère : 1,3  M.B.
Adolescent scolarisé et ayant une activité modérée (= moyenne) : 1,7  M.B.
Adolescent scolarisé et ayant une activité importante : 1,9  M.B.