La combustion, consulté le=. est une réaction exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme ou par une explosion (déflagration, voire détonation si le front de flamme dépasse la vitesse du son). La combustion de la biomasse et des carburants est la principale source de pollution de l'air, avec des effets cancérigènes, reprotoxiques et cardiovasculaires notammentLewtas J. (2007), Air pollution combustion emissions: characterization of causative agents and mechanisms associated with cancer, reproductive, and cardiovascular effects, Mutat. Res., 636(1-3):95-133, ?.
vignette|upright|Combustion du bois : vive avec flammes et lente avec braises incandescentes.
Triangle du feu
Avant 1980 on considérait que la réaction chimique de combustion ne peut se produire que si l'on réunit trois éléments : un combustible, un comburant, une énergie d'activation en quantités suffisantes. C'est pourquoi on parlait alors du « triangle du feu ».
Mais, depuis les années 1980, on a découvert qu'une des étapes indispensables de la réaction chimique est la production de radicaux libres ; cette étape est nécessaire pour que la combustion s'entretienne et que l'on puisse parler d'incendie. C'est la raison pour laquelle on parle depuis de « tétraèdre du feu ».
La disparition de l'un des quatre éléments suffit à arrêter la combustion.
Combustible
Le combustible peut être : un solide formant des braises (charbon, bois, papier, carton, tissu, PVC) ; un liquide ou solide liquéfiable (essence, gazole, fioul, huile, kérosène, PE, PS) ; un gaz (gaz naturel, butane, propane, méthane, dihydrogène, fumée, gaz de pyrolyse) ; un métal (fer, aluminium, sodium, magnésium) ; une huile de cuisson. Ces cinq types de combustible correspondent, respectivement, aux cinq principales classes de feux utilisées en Europe et en Australie, soit A, B, C, D et F. Au Québec, les classes de feux sont celles utilisées par les États-Unis.
On parle aussi de combustible nucléaire malgré le fait que la réaction ne soit pas une combustion, lors de réactions de fission nucléaire dans les réacteurs, notamment avec l'uranium.
Comburant
Le comburant est l’autre réactif de la réaction chimique. La plupart du temps, il s’agit de l’air ambiant, et plus particulièrement de l’un de ses composants principaux, le dioxygène. En privant un feu d’air, on l’éteint ; par exemple, si on place une bougie chauffe-plat allumée dans un bocal de confiture et qu’on ferme le bocal, la flamme s’éteint ; à l’inverse, si l’on souffle sur un feu de bois, cela l’active (on apporte plus d’air). Dans certains chalumeaux, on apporte du dioxygène pur pour améliorer la combustion et élever la température de la flamme.
Dans certains cas très particuliers (souvent explosifs comme avec l'aluminium), le comburant et le combustible sont un seul et même corps ; par exemple, la célèbre nitroglycérine, molécule instable comportant une partie oxydante greffée sur une partie réductrice.
Activateur La réaction est déclenchée par une énergie d’activation, généralement de la chaleur ou une flamme. Par exemple, ce sera l'échauffement par frottement pour une allumette, le câble électrique suralimenté qui chauffe l'isolant, ou une autre flamme (propagation du feu), l'étincelle (de l'allume-gaz, de la pierre à briquet ou celle provoquée par une machine électrique qui se met en route ou s’arrête).
Mais il existe d’autres façons de fournir l’énergie d’activation : arc électrique, radiation, élévation de la température par compression de l'air, par exemple dans un moteur Diesel.
Il existe cependant des cas où le facteur déclenchant la combustion n'est pas l'énergie d'activation. Par exemple, l'explosion de fumées est une combustion très violente des gaz imbrûlés présents dans les fumées (voir combustion incomplète) provoquée par un apport soudain d'air, donc de comburant. L'intervalle dans lequel le mélange air/gaz pourra brûler est borné par les limites d'explosivité. Cet intervalle peut varier de quelques pour cent (kérosène) à plusieurs dizaines de pour cent (acétylène).
La production de chaleur par la combustion permet à la réaction de s’auto-entretenir dans la plupart des cas, voire de s'amplifier en une réaction en chaîne (par exemple dans un feu de forêt).
Lorsque la combustion produit suffisamment d'énergie pour s'entretenir d'elle-même, la température a dépassé le point d'inflammation.
Radicaux
Une réaction chimique est une recombinaison de molécules. Elle passe par une étape intermédiaire au cours de laquelle les molécules sont « déstructurées » mais pas encore recombinées ; celles-ci sont appelées radicaux et sont très réactives. Dans le cas de la combustion, les radicaux sont créés par rupture de liaison chimique due à l'énergie thermique, et ils vont pouvoir agir sur les molécules du produit (libérant d'autres radicaux) et engendrant de fait une réaction en chaîne qui va perdurer tant que les deux conditions suivantes seront réunies : présence de combustible et de comburant.
Procédés d'extinction d'une combustion
Pour interrompre une réaction de combustion, il faut supprimer un des quatre éléments du tétraèdre du feu : suppression du combustible fermeture d'une vanne ou d'un robinet qui alimente la combustion, éloignement de combustibles à proximité du feu, exutoire pour chasser la fumée (qui contient des imbrûlés) ; suppression du comburant (étouffement) utilisation d'un extincteur au dioxyde de carbone, d'une couverture, aspersion d'eau sur un combustible solide (la vapeur d'eau formée chasse l'air) ; suppression de l'énergie d'activation (refroidissement) pulvérisation d'eau dans le cas d'une atmosphère pré-mélangée (mélange de gaz ou de particules combustibles et de gaz comburant), grille absorbant la chaleur (lampe de mineur « Davy »), exutoire pour chasser la fumée (qui est chaude) L'eau peut avoir deux rôles différents : Dans le cas d'un combustible solide, le facteur limitant est l'apport en comburant (air), le feu produisant sa propre chaleur ; l'eau étouffe donc le feu par dégagement de vapeur qui entraîne l'air et empêche l'alimentation en dioxygène ; Dans le cas d'une atmosphère pré-mélangée, on ne peut pas séparer le combustible du comburant, la seule action possible consiste à refroidir l'atmosphère pour empêcher la flamme de se propager (la vapeur d'eau joue également un rôle de diluant) ; inhibition des radicaux (deux moyens) 1. inhibition chimique : c'est le cas d'une classe d'agents extincteurs de feu, basée sur des hydrocarbures halogénés (où fluor, brome ou chlore remplacent l'hydrogène en partie ou en totalité dans la molécule d'hydrocarbure). Certains font partie de la famille des halons (interdits d'emploi, car dégradant la couche d'ozone), d'autres de la famille des hydrofluorocarbures. Les radicaux de ces hydrocarbures halogénés (créés lors de la combustion) sont inactifs pour entretenir la combustion (les composés chimiques ont une énergie d'ionisation inférieure à celle du dioxygène, ils se « décomposent » donc en premier) mais actifs pour piéger les autres radicaux en se transformant en éléments stables afin qu'ils ne puissent plus interagir chimiquement. Ces agents se nomment halon 1301 (bromotrifluorométhane), halon 2402 (1,2-dibromo-1,1,2,2-tétrafluoroéthane), FM200 (1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropane) Exemple de réaction de « piégeage » de radicaux d'hydrogène avec le halon 1301 (nommé ainsi car il possède 1 atome de carbone, 3 atomes de fluor, de chlore et de brome) :
La formule brute de ce composé est , cela donne deux radicaux lors d'une combustion (CF3• et Br•) qui vont pouvoir se combiner chacun avec un radical hydrogène (H•), formant un composé restant stable malgré la combustion : • + H• → Br• + H• → BrH. De nombreux objets de la vie courante intègrent d'ailleurs des composés bromés ou chlorés à effet de retardateur de flammes : plastiques (pour les appareils électriques), isolants thermiques, textiles ; 2. inhibition mécanique : les extincteurs à poudre piègent également les radicaux (en plus de leurs autres actions), mais par absorption (« étouffement » des radicaux dans le produit). Et au-delà de , certaines poudres (entre autres le bicarbonate de sodium) se vitrifient en un vernis peu soluble dans l'eau et ignifugeant.
Historique La découverte de la combustion par le dioxygène est imputable au chimiste français Lavoisier, en 1775, car que Joseph Priestley, qui a isolé pour la première fois du dioxygène (impur) en 1774 n'a pas pour autant découvert le rôle de comburant du dioxygène. En effet, dans la mesure où il se fondait sur la théorie du phlogistique, cela l’empêchait de concevoir le rôle du dioxygène dans la combustion.
Selon le philosophe des sciences Thomas Samuel Kuhn, la découverte de la combustion par le dioxygène constitue une révolution scientifique majeure dans l'histoire des sciencesThomas Kuhn, La Structure des révolutions scientifiques, 1962.. Elle a constitué un changement de paradigme, en remplaçant l'ancien paradigme du phlogistique.
La combustion par le dioxygène a eu au , et plus encore au , de nombreuses applications industrielles (voir section Applications ci-dessous). Elle a cependant conduit pendant l'ère industrielle à l'émission massive de dioxyde de carbone, qui est un gaz à effet de serre contribuant pour une large part aux phénomènes de dérèglement climatiqueA posteriori, cette conséquence indirecte et à long terme pose la question de la réalité du progrès scientifique et technique. Cet article n'a cependant pas vocation à traiter ce problème de fond. Les lecteurs intéressés par ces questions pourront prendre connaissance dans un premier temps d'articles tels Développement durable et Générations futures..
Caractéristiques Combustion rapide vignette|Une expérience qui démontre la grande quantité d'énergie libérée lors de la combustion de l'éthanol. 2016 La combustion rapide est une forme de combustion au cours de laquelle de grandes quantités de chaleur et d'énergie sous forme de lumière sont relâchées, donnant naissance au feu. Elle est utilisée dans certaines machines telles que les moteurs à combustion interne ou les armes thermobariques.
Combustion lente
La combustion lente est une réaction se réalisant à des températures peu élevées. On peut citer le cas de la respiration cellulaire : cette lenteur est due à des enzymes spécifiques permettant d'augmenter les réactions d'oxydoréduction et ainsi d'obtenir un très bon rendement par récupération d'une grande partie de l'énergie.
Combustion complète ou stœchiométrique Lors d'une combustion complète, le réactif réagira avec le comburant jusqu'à former des produits qui ne pourront plus être oxydés, c'est-à-dire que ces produits ne peuvent plus réagir avec le comburant : les produits ont atteint un degré de stabilité qu'une réaction de combustion ne peut modifier. Dans le cas d'un hydrocarbure réagissant avec le dioxygène, les produits de combustion sont le dioxyde de carbone et l'eau. Il existe pour chaque élément un produit de combustion stable, ainsi une combustion complète fournit les mêmes produits de réactions quels que soient les réactifs.
Une combustion complète permet d'obtenir la quantité maximale d'énergie disponible par une substance et cette énergie est définie comme étant le pouvoir calorifique.
Combustion turbulente La combustion turbulente est une combustion caractérisée par des flux de chaleur. Elle est souvent utilisée dans l'industrie (par exemple, les turbines à gaz et les moteurs à allumage commandé) car la chaleur facilite l'opération de mélange entre le combustible et l'oxydant.
Combustion incomplète