Quelques propriétés de l'air et ses constituants
L'air est un mélange homogène de gaz. L'air sec contient environ 78 % de diazote, 21 % de dioxygène et 1 % d'autres gaz en volume. Il possède une masse, occupe un volume et peut être comprimé ou détendu. Ces propriétés expliquent le fonctionnement d'une pompe à vélo ou d'une seringue bouchée.
À la fin de ce chapitre, vous saurez
- Décrire la composition de l'air sec
- Montrer que l'air possède une masse et un volume
- Distinguer compression et détente
- Calculer un volume de dioxygène à partir d'un pourcentage
- Interpréter des mesures simples sans confondre masse et volume
PrérequisMasse, volume et unités usuelles · Mélange homogène et corps pur · Utilisation d'une balance et d'un manomètre
Un bon cours, ça se partage.
L'air est-il un corps pur ?
Définition
Air : L'air est un mélange homogène gazeux : il contient plusieurs gaz que l'on ne distingue pas à l'œil nu. Un air propre n'est donc pas un corps pur.
| Constituant de l'air sec | Proportion approximative en volume | Repère |
|---|---|---|
| Diazote, N₂ | 78 % | Le constituant majoritaire |
| Dioxygène, O₂ | 21 % | Participe à la respiration et entretient les combustions usuelles |
| Autres gaz | 1 % | Surtout argon, avec notamment du dioxyde de carbone en faible proportion |
L'air réel contient aussi une quantité variable de vapeur d'eau. On précise donc « air sec » pour utiliser les proportions du tableau. Pour simplifier certains exercices de 2AC, l'énoncé assimile l'air à quatre cinquièmes de diazote et un cinquième de dioxygène. Ce modèle arrondi ne remplace pas les valeurs 78 % et 21 % lorsqu'elles sont données.
Comment calculer le volume d'un constituant ?
Méthode
Passer d'un pourcentage à un volume
- Relever le volume total d'air et le pourcentage demandé.
- Multiplier le volume total par le pourcentage, puis diviser par 100.
- Conserver l'unité du volume initial.
- Vérifier que le résultat est inférieur au volume total.
Du dioxygène dans une salle
On considère 150 L d'air sec. Calculer le volume de dioxygène avec la proportion de 21 %.
- Volume de dioxygène = 150 × 21 ÷ 100 = 31,5 L.
- Avec le modèle simplifié à un cinquième, on aurait 150 ÷ 5 = 30 L. On suit toujours l'approximation annoncée par l'énoncé.
Comment montrer que l'air a une masse ?
L'enseignant pèse un récipient rigide fermé contenant de l'air, puis le même récipient après ajout d'air. La deuxième masse est plus grande. Comme le récipient est le même, la différence de masse correspond à l'air ajouté. On peut aussi retirer un volume d'air mesuré et comparer les masses avant et après. Il faut que le montage reste étanche et que la balance soit assez précise.
Une mesure de masse
Avant le retrait de 2 L d'air, le système a une masse de 184,6 g. Après, il a une masse de 182,0 g.
- Masse d'air retirée = 184,6 − 182,0 = 2,6 g.
- Masse d'un litre dans ces conditions = 2,6 ÷ 2 = 1,3 g.
Attention
La masse d'un litre d'air dépend de la température et de la pression. La valeur d'environ 1,3 g par litre est un ordre de grandeur scolaire, pas une constante universelle. Un ballon gonflé et un ballon dégonflé peuvent aussi subir des poussées de l'air différentes : une mesure avec un récipient rigide est plus facile à interpréter.
Que deviennent le volume et la pression pendant une compression ?
Définition
Compression : Une compression diminue le volume occupé par une quantité donnée de gaz. Dans une seringue étanche sans aiguille, on bouche l'orifice puis on pousse doucement le piston : l'air occupe moins de place et sa pression augmente.
Définition
Détente : Une détente augmente le volume occupé par le gaz. Quand on tire doucement le piston d'une seringue bouchée, le volume augmente et la pression diminue, à température comparable.
| Seringue bouchée | Volume | Masse d'air | Pression à température comparable |
|---|---|---|---|
| On pousse le piston | Diminue | Reste la même | Augmente |
| On tire le piston | Augmente | Reste la même | Diminue |
Un gaz est également expansible : il occupe tout le volume qui lui est offert. Dans un récipient fermé, l'air exerce une pression sur les parois. Un manomètre sert à mesurer la pression d'un gaz enfermé ; un baromètre mesure la pression atmosphérique.
Attention
Comprimer n'est pas retirer de l'air. Si la seringue est bouchée et étanche, aucune matière ne sort : sa masse ne diminue pas. On n'introduit pas ici une formule reliant pression et volume ; une comparaison qualitative suffit.
Comment distinguer les gaz sans les voir ?
On utilise des tests caractéristiques réalisés en classe par l'enseignant. Une bûchette incandescente se ravive dans du dioxygène. L'eau de chaux se trouble en présence d'une quantité suffisante de dioxyde de carbone. Le dioxygène et le dioxyde de carbone sont deux gaz différents, même si leurs noms se ressemblent.
Attention
Une bougie sous un bocal montre qu'un constituant de l'air participe à la combustion. La montée de l'eau ne donne pas à elle seule une mesure précise de 21 % : refroidissement, dissolution et produits formés influencent aussi le résultat. Ne pas reproduire une manipulation avec flamme sans l'enseignant.
Questions fréquentes
Quelle est la composition de l'air en 2AC ?
L'air a-t-il une masse ?
Quelle différence entre compression et détente ?
Comment calculer le dioxygène dans un volume d'air ?
Quiz : 12 questions sur ce chapitre
12 questions tirées au hasard parmi les 12 de ce chapitre : le quiz est différent à chaque visite. Une seule réponse est correcte, et vous voyez immédiatement si la vôtre l'est.
Q1Le gaz majoritaire dans l'air est…
Réponse incorrecte
Le diazote représente environ 78 % de l'air sec.
Bonne réponse : le diazote
Le diazote représente environ 78 % de l'air sec.
Q2Le dioxygène représente environ…
Réponse incorrecte
21 % est la proportion volumique usuelle dans l'air sec.
Bonne réponse : 21 %
21 % est la proportion volumique usuelle dans l'air sec.
Q3L'air propre est…
Réponse incorrecte
Propre signifie peu pollué, pas constitué d'une seule espèce.
Bonne réponse : un mélange homogène
Propre signifie peu pollué, pas constitué d'une seule espèce.
Q4Une compression dans une seringue étanche conserve…
Réponse incorrecte
Il n'y a pas d'échange de matière avec l'extérieur.
Bonne réponse : la masse d'air
Il n'y a pas d'échange de matière avec l'extérieur.
Q5Pendant une détente, le volume…
Réponse incorrecte
Le gaz occupe un espace plus grand.
Bonne réponse : augmente
Le gaz occupe un espace plus grand.
Q6À température comparable, comprimer un gaz…
Réponse incorrecte
Les actions du gaz sur les parois deviennent plus importantes.
Bonne réponse : augmente sa pression
Les actions du gaz sur les parois deviennent plus importantes.
Q721 % de 200 L donnent…
Réponse incorrecte
200 × 21 ÷ 100 = 42 L.
Bonne réponse : 42 L
200 × 21 ÷ 100 = 42 L.
Q8La pression d'un gaz enfermé se mesure avec…
Réponse incorrecte
Le manomètre mesure une pression.
Bonne réponse : un manomètre
Le manomètre mesure une pression.
Q9Le constituant dont la proportion varie avec l'humidité est…
Réponse incorrecte
La composition de l'air sec exclut cette vapeur d'eau variable.
Bonne réponse : la vapeur d'eau
La composition de l'air sec exclut cette vapeur d'eau variable.
Q10Une bûchette incandescente se ravive dans…
Réponse incorrecte
Le dioxygène entretient cette combustion.
Bonne réponse : le dioxygène
Le dioxygène entretient cette combustion.
Q11La masse d'un litre d'air…
Réponse incorrecte
La température et la pression influencent la masse d'un volume donné.
Bonne réponse : dépend des conditions
La température et la pression influencent la masse d'un volume donné.
Q12Un gaz expansible…
Réponse incorrecte
Il se répartit dans tout le récipient.
Bonne réponse : occupe le volume disponible
Il se répartit dans tout le récipient.
Votre note
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Le chapitre est à revoir en entier
Ne recommencez pas le quiz tout de suite : relisez d'abord tout le cours, en refaisant sur votre cahier chaque exemple guidé au lieu de le lire. Enchaînez avec les exercices « facile », correction masquée, puis revenez ici. C'est en une seule séance de travail que la note change.
À revoir : 12 questions manquées
Le gaz majoritaire dans l'air est…
Bonne réponsele diazote
Le diazote représente environ 78 % de l'air sec.
Le dioxygène représente environ…
Bonne réponse21 %
21 % est la proportion volumique usuelle dans l'air sec.
L'air propre est…
Bonne réponseun mélange homogène
Propre signifie peu pollué, pas constitué d'une seule espèce.
Une compression dans une seringue étanche conserve…
Bonne réponsela masse d'air
Il n'y a pas d'échange de matière avec l'extérieur.
Pendant une détente, le volume…
Bonne réponseaugmente
Le gaz occupe un espace plus grand.
À température comparable, comprimer un gaz…
Bonne réponseaugmente sa pression
Les actions du gaz sur les parois deviennent plus importantes.
21 % de 200 L donnent…
Bonne réponse42 L
200 × 21 ÷ 100 = 42 L.
La pression d'un gaz enfermé se mesure avec…
Bonne réponseun manomètre
Le manomètre mesure une pression.
Le constituant dont la proportion varie avec l'humidité est…
Bonne réponsela vapeur d'eau
La composition de l'air sec exclut cette vapeur d'eau variable.
Une bûchette incandescente se ravive dans…
Bonne réponsele dioxygène
Le dioxygène entretient cette combustion.
La masse d'un litre d'air…
Bonne réponsedépend des conditions
La température et la pression influencent la masse d'un volume donné.
Un gaz expansible…
Bonne réponseoccupe le volume disponible
Il se répartit dans tout le récipient.
Exercices corrigés
10 exercices classés du plus simple au plus difficile. Cherchez d'abord seul, puis révélez la correction rédigée étape par étape.
Exercice 1
FacileL'air filtré est transparent. Est-ce un corps pur ? Justifier.
Correction
Non. Il contient plusieurs gaz, notamment du diazote et du dioxygène. Il reste un mélange homogène après filtration.
Exercice 2
FacileSur 100 L d'air sec, indiquer les volumes approximatifs de diazote, de dioxygène et des autres gaz.
Correction
78 L de diazote, 21 L de dioxygène et 1 L d'autres gaz. La somme vaut 100 L.
Exercice 3
MoyenQuel volume de dioxygène contient un échantillon de 250 mL d'air sec ? Utiliser 21 %.
Correction
250 × 21 ÷ 100 = 52,5 mL. Le résultat conserve l'unité mL.
Exercice 4
MoyenOn assimile l'air à 1/5 de dioxygène et 4/5 de diazote. Calculer ces volumes dans 60 L d'air.
Correction
Dioxygène : 60 ÷ 5 = 12 L. Diazote : 60 × 4 ÷ 5 = 48 L. Total : 60 L.
Exercice 5
MoyenUn récipient pèse 208,4 g, puis 212,3 g après ajout de 3 L d'air. Déterminer la masse ajoutée et la masse d'un litre dans ces conditions.
Correction
Masse ajoutée : 212,3 − 208,4 = 3,9 g. Pour un litre : 3,9 ÷ 3 = 1,3 g.
Exercice 6
FacileLe volume d'air d'une seringue bouchée passe de 50 mL à 30 mL. Comment évoluent sa masse et sa pression à température comparable ?
Correction
Sa masse reste constante car rien ne sort. Sa pression augmente car l'air est comprimé.
Exercice 7
FacileOn tire le piston d'une seringue étanche de 20 mL à 45 mL. Nommer la transformation et comparer les pressions.
Correction
C'est une détente. À température comparable, la pression finale est plus faible que la pression initiale.
Exercice 8
FacileChoisir l'appareil pour mesurer la masse d'air, la pression d'un pneu et la pression atmosphérique.
Correction
Balance pour la masse ; manomètre pour le pneu ; baromètre pour la pression atmosphérique.
Exercice 9
DifficileUn échantillon d'air sec contient 4,2 L de dioxygène, soit 21 % du volume. Quel est le volume total d'air ?
Correction
Le volume total multiplié par 0,21 donne 4,2 L. Il vaut donc 4,2 ÷ 0,21 = 20 L. Vérification : 20 × 21 ÷ 100 = 4,2 L.
Exercice 10
DifficileUn élève pousse le piston d'une seringue ouverte et conclut : « La masse de l'air diminue quand on le comprime. » Pourquoi cette expérience ne prouve-t-elle pas son affirmation ?
Correction
L'orifice ouvert laisse de l'air sortir. La quantité d'air étudiée change. Pour étudier une compression à masse constante, il faut une seringue bouchée et étanche.