Tony Leparoux, professeur de physique-chimie, Clg Frédéric Montenard

Chapitre 2 : L’air qui nous entoure

1/ Composition de l’air.

A/ Activité 1 : L’expérience historique d’Antoine Laurent Lavoisier (1774)

1/ Compare les deux schémas en notant bien les deux différences essentielles.

Le volume d’air sous la cloche diminue et il se forme une couche d’oxyde de mercure à la surface de la cornue : Cela

veut donc dire que la partie respirable de l’air, le dioxygène a été consommée.

Pour tenter d’identifier le gaz restant, Lavoisier enferma sous une cloche hermétique une petite souris qui malheureusement, vint à mourir d’asphyxie quasi instantanément … Il appela donc ce gaz le « diazote », signifiant en grec « sans vie ». De plus en conclut-il, l’autre gaz présent initialement mais consommé au cours de l’expérience pour former l’oxyde de mercure, était la partie respirable de l’air, et le baptisa le « dioxygène ». (Ce gaz a été découvert par Joseph Priestley, en 1774)

2/ L’air est-il constitué d’un ou de plusieurs gaz ? Cite ce ou ces gaz.

Il s’agit du diazote et du dioxygène : L’air est donc un mélange de plusieurs gaz.

Dans l’expérience de Lavoisier, le volume d’air initialement contenu dans la cloche est de 1 L ; le volume de gaz restant sous la cloche après quelques jours de chauffage est 0,73 L.

3/ Déduire ce ces mesures le pourcentage de « diazote »contenu dans l’air et le pourcentage de

dioxygène.

On en conclut qu’il y a 73% de « diazote » dans l’air et 27% de « dioxygène » dans l’air.

4/ Dans le ballon ci-dessous, représente les molécules de « diazote » en bleu et de « dioxygène » en rouge

avec les proportions trouvées par Lavoisier.

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B/ Activité 2 : Evolution de la composition de l’atmosphère terrestre.

1/ Il y a 4.5 milliards d’années, quel gaz état présent dans la plus

grande proportion ? Comment est-il apparu ?

C’est l’eau sous forme de vapeur qui serait arrivée de l’impact des comètes et

météorites glacées.

2/ Qu’est devenue l’eau de l’atmosphère terrestre de 4.5 à 4.2 milliards d’années ?

Elle s’est liquéfiée car la surface de la planète s’est refroidie. Il s’est formé un immense océan primitif.

3/ Quel gaz a vue sa proportion grimper en flèche de 4.5 à 4.2 milliards d’années ?

C’est le « diazote » noté N2.

4/ Qu’est ce qui est à l’origine, il y a 3.8 milliards d’années, de l’apparition du dioxygène ?

Ce sont les cyanobactéries qui sont apparues dans les océans qui ont commencé à effectuer la photosynthèse.

5/ Quelle est la composition actuelle de l’atmosphère terrestre :

21% de dioxygène, 78 % de diazote, 0.93 % d’argon et quelques gaz en très faibles proportions : L’ozone, l’eau, le

dioxyde de carbone, dihydrogène, Néon, hélium, krypton, Xénon…

6/ Compare ces proportions de gaz aux proportions trouvées par Lavoisier ?

Elles sont peu différentes : Lavoisier avait trouvé 27% de dioxygène dans l’air pour 73% de diazote. Avec le matériel de l’époque,

c’est déjà une prouesse d’arriver à des résultats aussi proches de la réalité.

« Comme la plupart des planètes

observables, la Terre est entourée d’une

enveloppe de gaz en perpétuel

mouvement : l’atmosphère. Sa

composition et sa structure sont

uniques en raison de l’apparition, il y a

plus de trois milliards d’années, d’un

phénomène unique dans notre système

solaire : l’éclosion de la vie.

Il y a 4,5 milliards d’années,

des comètes et météorites chargées de

glace, de méthane, d’ammoniac (etc) se

sont écrasées sur la Terre. Le nuage de

gaz qui entourait la Terre en formation

contenait de l’eau, du dioxyde de

carbone, de l’ammoniac et du méthane

et un peu de diazote. Avec le

refroidissement, l’eau de l’atmosphère

s’est condensée et a entrainé la

formation d’un immense océan primitif.

Une vie primitive est apparue : les

algues bleues ou « cyanobactéries » ont

commencer à modifier l’atmosphère en

consommant le diazote atmosphérique

et en rejetant du dioxygène. Ce

dioxygène commença à faire son

apparition il y a quelques deux milliards

d’années dans l’atmosphère (1 %) de

l’atmosphère. Cinq cents millions

d’années plus tard ce taux passait à

environ 3 %. L’atmosphère a atteint sa

composition actuelle il y a 400 à 600

millions d’années.

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7/ Dans le ballon ci-dessous, représente les

molécules de « diazote » en bleu et de

« dioxygène » en rouge avec les proportions

actuelles.

8/ A l’aide du logiciel Excel (si temps il y a),

réalise un camembert des pourcentages des

trois principaux gaz présents dans

l’atmosphère. Complète le camembert ci-

dessous.

9/ Dans quelle couche de l’atmosphère vit-on ?

Nous vivons dans la troposphère

10/ Dans quelle couche de l’atmosphère se situe la couche d’ozone ? Quel est son effet sur la

température ?

L'atmosphère est si mince, comparée à la Terre, qu'on peut se la représenter comme la pelure d'une pêche par rapport à la pomme elle-même. C'est la gravité qui la retient autour de notre globe. Bien que la composition de l'air soit la même en tous points de l'atmos-phère, il existe des variations importantes en température et en pression avec l'altitude. L'atmosphère est composée de quatre couches, où la température augmente et diminue

alternativement..

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Elle se situe dans la stratosphère. Elle permet d’augmenter la température de l’atmosphère.

11/ « Plus on monte en altitude, plus il fait froid ». Est-ce vrai ? Commente.

Ce n’est pas vrai car dans la stratosphère et dans la thermosphère, la température augmente.

12/ Que fait la pression de l’air quand l’altitude augmente ? Pourquoi ?

La pression diminue tout le temps. Arrivé dans la thermosphère, la pression est très faible : C’est la fin de

l’atmosphère terrestre, il n’y a quasiment plus d’air.

C/ Bilan

L’air est un mélange de plusieurs gaz : sa composition en volume est :

78% de diazote : on arrondira à 80 % soit 4/5.

21% de dioxygène : on arrondira à 20% soit 1/5.

1% d’autres gaz comme l’argon, le dihydrogène, le méthane ou le dioxyde de carbone.

On peut représenter la composition à l’aide du modèle moléculaire :

D/ Activité 3 : Quel est le rôle du dioxygène ?

Couche de

l’atmosphère

Troposphère Stratosphère Mésosphère Thermosphère

Quelle altitude ? 0 à 10 km 10 à 50 km 50 à 85 km 85 à 500 km

Evolution de la pression

diminue diminue diminue diminue

Evolution de la température

diminue augmente diminue augmente

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1/ Compare la composition de l’air expiré et de l’air inspiré. Quel est le gaz le plus abondant dans l’air

expiré ?

L’air expiré est riche en diazote, plus pauvre en dioxygène, plus riche en dioxyde de carbone. Dans l’air expiré, c’est toujours le

diazote qui est le plus abondant.

2/ Quel gaz a été consommé lors de la respiration ? Quel est son rôle dans le corps humain ?

C’est le dioxygène de l’air qui a été consommé. Il permet la respiration.

3/ Cite les gaz échangés avec l’air lors de la respiration des plantes.

La plante respire comme les hommes : elle consomme du dioxygène et produit du dioxyde de carbone.

4/ Comment s’appelle le phénomène qui s’ajoute à la respiration des plantes pendant la journée ?

C’est la photosynthèse. Grâce au soleil, la plante « mange » du dioxyde de carbone et produit du dioxygène.

5/ Application : Quel est l’intérêt de sauvegarder les grandes forêts ?

Avec la photosynthèse, la végétation produit du dioxygène, gaz vital.

Expérience : Combustion du bois.

1/ Dans quoi la bûchette est-elle plongée au début de la combustion ? (fig 2)

Elle est plongée dans l’air.

2/ Dans quel gaz la bûchette est-elle plongée ensuite (fig 3) ?

Elle est plongée dans du dioxygène pur.

3/ Où la combustion est-elle la plus vive ?

C’est le dioxygène que la combustion est la plus vive.

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4/ Quel est l’effet du dioxygène sur les combustions ?

Il joue le rôle de comburant : il fait « brûler ».

5/ Explique alors pourquoi le vent peut attiser les incendies.

L’air, chargé de dioxygène, entretient la combustion du bois grâce à un apport permanent de dioxygène.

E/ Bilan

Lavoisier avait déjà

montré en son temps

que le dioxygène

était un air vital,

indispensable à la

vie. Il est aussi

indispensable pour

les combustions.

2/ L’air a-t-il une masse ?

A/ Qu’est ce que la masse ?

Unité officielle : le kilogramme, symbole kg .

Instrument de mesure : La balance.

Unité : multiples et sous multiples :

1 0 0 0

0, 0 0 1

1 0 0

1 0 0 0

Autrement dit :

1 g = 1000 mg

1 g = 0.001 kg

1 quintal = 1q = 100 kg

1 tonne = 1 t = 1000 kg

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B/ Démarche expérimentale : L’air est il pesant ? Si oui, quelle est sa masse ?

1/ Formule une hypothèse pour répondre à la question.

2/ Propose une expérience avec le matériel de la photographie pour savoir si l’air

est pesant.

On peut mesurer la masse d’un ballon gonglé et d’un ballon dégonflé avec une balance de

Robervald ou une balance électronique.

3/ Réponds à la question : L’air est-il pesant ?

Oui l’air pèse puisque le ballon dégonflé est plus léger que la ballon gonflé.

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4/ Propose une expérience avec la matériel de la photographie ci-dessous pour trouver la masse d’un litre

d’air.

PS : on pourra utiliser deux types de balance :

Une balance dite de Robervald ou une balance électronique.

Nous allons peser un ballon gonflé avec une balance.

A l’aide d’une aiguille à gonfler et d’un tuyau raccordé, on transvase par déplacement d’eau le gaz dans une bouteille de 1.5 L

Puis on pèse de nouveau le ballon dégonflé.

5/ Interprète les résultats de l’expérience et complète les schémas ci-dessous. Combien pèse 1L d’air ?

On constate que la masse du ballon a diminué. 1.5 L d’air pèse 1.9 g, donc 1L d’air pèse environ 1.3 g.

B/ Bilan

Comme toute la matière, l’air a une masse car il est constitué de molécules qui ont une masse

(une molécule pèse environ 5 x 1024 kg).

Dans les conditions habituelles de pression et de température, un litre d’air pèse environ 1.3 g.

La masse d’un litre d’air est beaucoup plus petite que cella d’un litre d’eau car c’est un état dispersé

et non compact de la matière. Il y a beaucoup de vide entre les molécules.

Pour mesurer la masse d’un litre d’air, on effectue un déplacement d’eau d’une bouteille. L’air

étant plus léger que l’eau, il monte et chasse l’eau de la bouteille.

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie, Clg Frédéric Montenard

3/ Pourquoi l’air est-il compressible ?

A/ Qu’est ce que le volume ? Qu’est ce que la capacité ?

Volume Capacité

Unité Mètre cube m3 Litre L

Instrument de mesure éprouvette éprouvette

Multiples et sous multiples

Volume m3 dm3 cm3

Capacité kL hL daL L dL cL mL

1 0 0 0

0, 0 0 1

1 0 0 0 0 0 0

Par conséquent :

1m3 = 1 kL = 1000 L = 1000 dm3

1 L = 1dm3 = 1000 cm3 = 1000 mL

B/ TP : la pression de l’air.

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1/ Vous disposez d’une seringue.

Placer le piston au milieu. Boucher l’orifice de la seringue

avec un doigt.

Appuie sur le piston et complète les phrases suivantes :

Le volume d’air enfermé à l’intérieur de la seringue a diminué.

La quantité d’air n’a pas changé.

L’air enfermé pousse le doigt, la pression a augmenté. L’air est donc compressible.

Tirer sur le piston et complète les phrases suivantes :

Le volume d’air enfermé à l’intérieur de la seringue a augmenté.

La quantité d’air n’a pas changé.

L’air enfermé attire le doigt, la pression a diminué. L’air est donc expansible.

2/ Explication à l’aide du modèle moléculaire :

Regarde l’animation de Physikos intitulée :

Appuie sur le bouton :

Entoure les bonnes réponses :

Lorsqu’on comprime un gaz, le volume dans la seringue diminue , les molécules dans la

seringue se rapprochent : le nombre de chocs sur les parois de la seringue augmente et la pression augmente.

Lorsqu’on détend un gaz, le volume dans la seringue augmente, les molécules dans la

seringue s’éloignent : le nombre de chocs sur les parois de la seringue diminue et la pression diminue .

3/ Prends une éprouvette. Remplis cette éprouvette d’eau à ras

bord.

Poser une petite feuille de papier dessus.

En posant la main sur cette feuille de papier, retourne

l’éprouvette puis retire ta main.

Que se passe-t-il ? La feuille de papier retient l’eau dans l’éprouvette.

Complète le texte ci-dessous.

Le poids de l’eau exerce une force vers le bas. La pression de l’air exerce une force vers le haut. La force la

plus forte est la force de pression car la feuille de papier ne tombe pas.

L’origine de ce phénomène est que les molécules de l’air bombardent la feuille de papier et l’empêche de

tomber : la pression est une force colossale.

Réalise un schéma en représentant avec des flèches les différentes forces.

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4/ Etude documentaire

1/ Qu’est ce que la pression atmosphérique ?

C’est l’action exercée par l’air à la surface de la Terre, c'est-à-dire le poids de l’air sur nos têtes.

2/ Compare les résultats des deux figures 2 et 3. Dans quel cas la pression est-elle la plus faible ?

C’est au sommet du Puy de Dome en altitude que la pression est la plus faible.

3/ Explique, à l’aide de tes connaissances, pourquoi le niveau de mercure est plus bas dans le tube de la

figure 3.

Cela est dû au fait que l’air exerce une force plus faible à la surface de la cuve de mercure puisqu’il y a moins de

molécules d’air (les chocs sont moins nombreux). Dans le tube de Torricelli, le niveau de mercure est donc plus bas

car la force exercée par l’air à l’extérieur est plus faible.

4/ Pourrait-on remplacer le mercure par de l’eau, en sachant que le mercure pèse 13.6 fois plus que l’eau ?

Cela est possible, mais il faudrait que le tube soit très haut dans ce cas.

5/ A la pression atmosphérique, trouve la hauteur de la colonne d’eau qui appuierait autant que la colonne

de mercure de 76 cm.

Il suffit de faire un produit en croix. L’eau pesant 13.6 fois plus, il suffit de faire : h = 13.6 x 76 cm = 10.33 m.

Il faudrait donc une colonne d’eau d’environ 10 m.

6/ Application : Pourquoi le niveau de la menthe à l’eau monte-t-il dans la paille. Explique avec la pression

atmosphérique.

Le niveau monte car en aspirant, on crée une dépression : la pression à l’intérieur de la paille devient inférieure à la

pression atmosphérique. L’air extérieur appuie alors plus fortement sur la surface liquide du verre et le liquide

monte.

C/ Bilan

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie, Clg Frédéric Montenard

La pression d’un gaz est due aux chocs des molécules d’air sur les parois du flacon qui le contient.

Elle s’exprime en « Pascal » (Pa), en hommage au physicien Blaise Pascal (XVIIème), ou en « bar » (bar).

Elle se mesure avec un manomètre ou un baromètre.

1 bar = 100 000 Pa = 1 000 hPa

Exemple pour une même quantité d’air :

P = 1 013 hPa P = 1 853 hPa P = 820 hPa

Chocs nombreux « Les chocs sont plus nombreux » « Les chocs sont moins nombreux »

Molécules rapides « Les molécules sont très rapides » « Les molécules sont moins rapides »

Comme tous les gaz, l’air est expansible et compressible car il existe des espaces vides entre les

molécules : Ces espaces peuvent être :

diminués en comprimant (augmentant la pression).

augmentés en détendant (diminuant la pression).

D/ Pression atmosphérique

Lorsque l’air n’est pas contenu dans un récipient, il appuie sur tout ce qui existe :

c’est la pression atmosphérique « Patm ».

On estime en moyenne au niveau de la mer, Patm = 1 013 hPa

La pression diminue avec l’altitude car il y a moins de molécules d’air qui appuient. Les molécules

deviennent de plus en plus rares et l’espace vide entre elles augmente.

On ne touche pas au piston On pousse le piston On tire sur le piston

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie, Clg Frédéric Montenard

P = Patm P > Patm P < Patm

Le piston est immobile. Le piston « est repoussé » Le piston « est attiré »