De l'air qui nous entoure à la molécule
I- Composition de l'air
Document 1 :
- Robert Boyle a identifié en premier en 1658 le constituant nécessaire à la vie. Il l'a appelé «air vital ».
- Le nom actuel de « l’air vital » est dioxygène.
- Le dioxygène est nécessaire à notre organisme pour respirer : il est nécessaire pour transformer les aliment en énergie pour nos cellules.
- L’effort physique est plus difficile en haute altitude car il y a moins de dioxygène à respirer.
- Pour aider les patients, les médecins peuvent leur donner de l’oxygène pur à respirer.
L'air est constitué de nombreux gaz, mais principalement d'environ :
- 80% de diazote;
- 20% de dioxygène.
Le carré bleu représente les autres gaz de l'atmosphère (prinipalement, l'argon), le dioxyde de carbone ne serait qu'un petit point dans ce carré bleu.
II- Propriétés physiques des gaz
1) Compressibilité
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compressible : une matière est compressible si l'on peut faire varier son volume.
Pour vérifier si un gaz est compressible on peut soit l'enfermer et diminuer le volume (1) soit remplir un volume donné de plus en plus d'air (2)
Méthode 1
Méthode 2
On constate qu'il est possible de pousser le piston à l'intérieur de la seringue et qu'il revient à sa place lorsque l'on arrête de pousser, ainsi qu'il est possible de "gonfler" la bouteille et que l'air s'échappe en sifflant lorsqu'on le laisse sortir.
On peut donc en conclure que l'air est compressible.
2) L'air a-t-il une masse ?
Peut-on évaluer la masse de l'air contenu dans la salle de cours ? Cela a-t-il un sens ?
Proposer une expérience permettant de savoir si l'air a une masse (ou pas).
Voici deux propositions réalisées par des élèves :
Mesurer la masse d'une bouteille pleine d'air puis vide
Masse de la bouteille pleine : 29.8g
Masse de la bouteille écrasée : 29.8g
Mesurer la masse d'un ballon de football partiellement puis totalement gonflé
Masse du ballon partiellement dégonflé : 303.8g
Masse du ballon complètement gonflé : 307.2g
Il ne faut donc prendre en compte que le résultat de la première expérience qui montre une augmentation de la masse du ballon gonflé car celui-ci n'a pas changé de forme : l'air a bel et bien une masse.
Comment mesurer la masse d'un litre d'air ?
Il faut pouvoir mesurer le volume précis d'air que l'on va entrer dans une bouteille contenant déjà de l'air.
- On va peser la bouteille une première fois : 47,2g.
- A l'aide de la seringue, on ajoute environ 4 x 60mL = 240mL d'air.
- On pèse de nouveau la bouteille : 47,5g.
Pour trouver la masse d'un litre d'air, il suffit d'utiliser la relation de proportionnalité :
| 240 mL | 0,3g |
| 1000 mL | ? |
? = (1000 x 0,3) / 240 = 1,25 g
La masse d'un litre d'air est donc environ 1g.
L'air est presque mille fois moins dense que l'eau.
3. La pression
a) Définition
La pression est la force qu'exerce un fluide sur une surface.
Dans le Système International, son unité est le Pascal (Pa)
La pression est mesurée à l'aide d'un manomètre.
Remarque : il existe d'autres unités de pression :
- Le nombre d'atmosphères (utilisé en géologie),
- le bar (pour la pression des pneus),
- le millimètre de mercure (Quand le médecin vous prend votre tension, c'est dans cette unité),
- les mètres de colonne d'eau (plomberie),
- ...
b) La pression atmosphérique
La pression atmosphérique est la force qu’exercent les gaz de l’air sur la surface de la Terre.
La pression atmosphérique normale est de 101,3 kPa (101300 Pa).
Remarque météo : lorsqu’il pleut, la pression est plus faible.
4. Forme propre, volume propre
Forme propre : se dit de quelque chose dont la forme ne change pas toute seule
Volume propre : se dite de quelque chose dont le volume ne change pas tout seul
| Etat de la matière | Forme propre | Volume propre |
| Solide |  |
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| Liquide |  |
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| Gaz | |
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III- Le modèle moléculaire
1. Qu'est-ce qu'une molécule ?
C'est le plus petit constituant d'un gaz, d'un liquide, ou d'un solide. Ces molécules sont constituées d'atomes, représentés par des petites boules de couleur pour les différencier.
Quelques atomes :
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| Hydrogène | Oxygène | Carbone | Azote |
Quelques molécules :
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| Dioxygène | Diazote | Eau | Dioxyde de carbone |
2. Interprétation des états de l'eau
L’agencement des molécules d’eau explique les différents états de l’eau :
| solide | liquide | gaz |
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- Si un solide a une forme propre, c'est que les molécules sont arrangées de façon à ne pas pouvoir bouger les unes par rapport aux autres
- Si un gaz est capable d'occupper un volume variable, c'est que les molécules ne sont pas en contact
- Un liquide a un volume fixe, donc les molécules sont forcément en contact. En revanche, elles sont capables de "glisser" entre elles, ce qui explique l'absence de forme propre.
L’état solide est compact et ordonné.
L’état liquide est compact et désordonné.
L’état gazeux est dispersé et désordonné.
3. La pression
b) La pression expliquée par les molécules
Une animation permettant de mieux illustrer la pression par les molécules est disponible sur le site de M. Fournat, professeur de Sciences Physiques sur son site : Physique Chimie au collège et au lycée
Les molécules d’un gaz sont en mouvement. En rebondissant contre les surfaces, elles créent une poussée : c’est la pression. En diminuant le volume d’un gaz, les particules rencontrent plus souvent les surfaces : la pression augmente.
4. Les mélanges expliqués par les molécules.
Comment expliquer qu'on arrive à sentir au bout de quelques minutes dans toute une pièce un parfum contenu dans un flacon dont on vient d'ouvrir le bouchon ?
Une animation permet de se le représenter : dans le cadre ci-dessous est représentée l'air dans une salle de classe avec les molécules qui se déplacent.
A chaque appui sur le bouton "parfum", vous ferez apparaîtres quelques molécules dans la boîte en bas à droite.
Schéma :
5. Ecriture
Pour représenter une molécule, on peut soit utiliser sa représentation, soit utiliser sa formule brute.