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L'air et ses constituants

Analyser l'air et ses propriétés.

Chimie 5ème Chapitre 4 / 7 ⏱ 5 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Réaliser une expérience de mise en évidence du dioxygène
  • Calculer la masse d'un volume d'air
  • Interpréter un indice de qualité de l'air

Respire un grand coup. Ce que tu inspires, c'est de l'air : tu ne le vois pas, tu ne le sens presque jamais, et pourtant il est partout autour de toi, du sol jusqu'à des dizaines de kilomètres au-dessus de ta tête. Le vent qui fait voler un cerf-volant, la flamme d'une bougie, tes poumons qui se gonflent : tout cela, c'est l'air en action.

Mais qu'est-ce que l'air, exactement ? Est-ce « rien du tout », comme on le croit parfois quand une pièce te paraît vide ? Ou bien est-ce une vraie matière, avec un volume et une masse, comme l'eau ou le bois ? Et surtout : de quoi est-il fait ?

Dans ce chapitre, tu vas découvrir que l'air est un mélange de plusieurs gaz, apprendre à reconnaître le plus important d'entre eux — le dioxygène, celui qui te permet de respirer et qui alimente le feu — et comprendre pourquoi, certains jours, notamment pendant l'harmattan, l'air que tu respires est de moins bonne qualité.

1Composition volumique de l'air

L'air qui t'entoure n'est pas une seule substance : c'est un mélange de plusieurs gaz différents, invisibles et incolores, si bien mélangés qu'on ne peut pas les distinguer à l'œil nu.

Définition

L'air est un mélange homogène de plusieurs gaz. La composition volumique de l'air indique, pour un volume donné d'air (par exemple 100 L), le volume occupé par chaque gaz qui le compose.

1.1  Deux gaz très largement majoritaires

Si tu pouvais séparer les gaz contenus dans 100 L d'air, tu obtiendrais à peu près la répartition ci-dessous.

Composition volumique de l'air (pour 100 L d'air) Diazote N₂≈ 78 % Dioxygène O₂≈ 21 % Autres gaz : < 1 %(CO₂, argon, vapeur d'eau) 78 % + 21 % + moins de 1 % = 100 %
Figure 1 — Composition volumique moyenne de l'air sec près du sol : le diazote domine très largement, le dioxygène en représente environ un cinquième, et une multitude d'autres gaz se partagent le dernier pourcent.

Le diazote, noté N2\text{N}_2, occupe à lui seul un peu plus des trois quarts du volume : environ 78 %. Le dioxygène, noté O2\text{O}_2, en occupe environ 21 %. À eux deux, ces deux gaz représentent donc 99 % du volume de l'air : c'est pour cela qu'on les appelle les gaz majoritaires.

Exemple — volumes dans 100 L d'air
  1. volume de diazote =78100×100 L= \dfrac{78}{100} \times 100\ \text{L}
  2. ==78 L78\ \text{L}
  3. volume de dioxygène =21100×100 L= \dfrac{21}{100} \times 100\ \text{L}
  4. ==21 L21\ \text{L}

1.2  Les autres gaz, en très petite quantité

Le dernier pourcent (moins de 1 %) rassemble plusieurs gaz présents en très petite quantité : le dioxyde de carbone CO2\text{CO}_2, l'argon, de la vapeur d'eau en quantité variable, et parfois des poussières en suspension. Ces gaz sont minoritaires en volume, mais certains d'entre eux jouent un rôle important, comme tu le verras dans la section 6.

Exemple — un ballon de baudruche de 3 L
  1. volume de diazote =3×0,78= 3 \times 0{,}78
  2. ==2,34 L2{,}34\ \text{L}
  3. volume de dioxygène =3×0,21= 3 \times 0{,}21
  4. ==0,63 L0{,}63\ \text{L}
  5. volume des autres gaz ≈3−2,34−0,63\approx 3 - 2{,}34 - 0{,}63
  6. ≈\approx0,03 L0{,}03\ \text{L}moins de 1 % de 3 L
Attention

Le pourcentage donné (78 %, 21 %…) est un pourcentage en volume, pas un pourcentage en masse. Un mauvais réflexe classique est de croire que l'air est « fait moitié d'oxygène, moitié d'autre chose » : en réalité, le diazote domine très largement.

Chimie & Co — Lavoisier perce le secret de l'air

Pendant des siècles, l'air a été considéré comme un élément unique et indivisible. C'est le chimiste français Antoine Lavoisier qui, en 1777, démontre par une expérience précise (chauffer du mercure dans un volume d'air fermé, pendant plusieurs jours) que l'air est en réalité composé d'au moins deux gaz distincts : l'un qui se combine au mercure et entretient la combustion — il le nomme « oxygène », du grec « qui engendre les acides » — et l'autre, peu réactif, qu'il appelle « azote », du grec « sans vie ». Cette découverte marque la naissance de la chimie moderne.

2Propriétés du dioxygène et du diazote

Le diazote et le dioxygène sont tous les deux des gaz incolores et inodores (sans couleur ni odeur) : c'est pourquoi on ne remarque jamais leur présence directement. Pourtant, leurs comportements sont très différents dès qu'il s'agit de respiration ou de combustion.

2.1  Le diazote N2\text{N}_2, le gaz majoritaire

Définition

Le diazote N2\text{N}_2 est un gaz incolore, inodore, qui ne participe ni à la respiration ni aux combustions. On dit qu'il est chimiquement peu réactif dans les conditions habituelles.

Le diazote joue pourtant un rôle essentiel : il dilue le dioxygène. Sans lui, l'air serait presque entièrement composé de dioxygène pur, ce qui rendrait toute flamme extrêmement violente et dangereuse (voir l'exercice 9).

2.2  Le dioxygène O2\text{O}_2, le gaz de la vie

Définition

Le dioxygène O2\text{O}_2 est un gaz incolore, inodore, indispensable à la respiration des êtres vivants et à l'entretien des combustions (le feu).

Propriété

Le dioxygène est le seul des deux gaz majoritaires qui entretient une combustion. Une flamme s'éteint dans une atmosphère sans dioxygène, mais brûle plus vivement dans un air enrichi en dioxygène.

PropriétéDiazote N2\text{N}_2Dioxygène O2\text{O}_2
Proportion dans l'air≈ 78 %≈ 21 %
Couleurincoloreincolore
Odeurinodoreinodore
Respirationnon utilisé par le corpsindispensable
Combustionn'entretient pas la flammeentretient la flamme
Exemple — reconnaître un gaz à ses propriétés

Un flacon contient un gaz incolore et inodore. On y plonge une bûchette qui brûle avec une flamme ; la flamme s'éteint immédiatement. Ce gaz entretient-il la combustion ? De quel gaz s'agit-il probablement ?

Réponse. La flamme s'éteint : ce gaz n'entretient pas la combustion. D'après le tableau, il s'agit très probablement de diazote (ou d'un air très pauvre en dioxygène).

Exemple — volume de dioxygène respiré

Un adulte inspire environ 6 L d'air par minute au repos. Calcule le volume de dioxygène qu'il inspire en une minute.

  1. V(O2)=6×0,21V(\text{O}_2) = 6 \times 0{,}21
  2. ==1,26 L1{,}26\ \text{L}21 % de 6 L
Chimie & Co — Qui a découvert le dioxygène ?

Deux chimistes l'ont isolé presque en même temps, sans le savoir : le Suédois Carl Wilhelm Scheele, vers 1772, et l'Anglais Joseph Priestley, en 1774, en chauffant de l'oxyde de mercure. Priestley remarque qu'une bûchette incandescente s'y ravive avec éclat — c'est exactement le test que tu vas utiliser dans la section 3 ! C'est Lavoisier, informé de leurs travaux, qui comprend le rôle exact de ce gaz et lui donne son nom définitif.

Attention

Ne confonds pas « respirer de l'air » et « respirer du dioxygène pur ». L'air que tu respires ne contient qu'environ 21 % de dioxygène : c'est amplement suffisant pour vivre, alors que du dioxygène pur respiré en continu serait au contraire dangereux pour l'organisme.

3Mise en évidence expérimentale

Tu sais maintenant que l'air contient du dioxygène et du diazote. Mais comment le prouver, concrètement, avec du matériel de classe ? C'est tout l'objet de cette section.

3.1  Le test du dioxygène : la bûchette incandescente

Définition

Une bûchette incandescente est une bûchette de bois qui rougeoie (elle brille faiblement) mais qui ne présente plus de flamme — on l'obtient en soufflant sur la flamme d'une bûchette allumée, juste assez pour l'éteindre sans arrêter la combustion lente du bois.

Méthode — identifier le dioxygène
  1. Allumer une bûchette de bois, puis souffler dessus pour éteindre la flamme : elle doit rester incandescente (rouge, sans flamme).
  2. Introduire rapidement la bûchette incandescente dans le flacon contenant le gaz à tester.
  3. Observer : si la bûchette se rallume (une flamme réapparaît avec éclat), le gaz contient du dioxygène en proportion importante.
Avant : bûchette incandescente Après : dans le gaz recueilli gaz à tester dioxygène confirmé on approche……puis on l'introduit Le gaz du flacon de droite contient du dioxygène : la bûchette se rallume.
Figure 2 — Le test caractéristique du dioxygène : une bûchette incandescente introduite dans un gaz riche en dioxygène se rallume avec une flamme vive.
Exemple — interpréter le test

On réalise le test sur l'air d'une salle de classe et sur l'air expiré (rejeté par les poumons). Dans les deux cas, la bûchette se rallume, mais moins vivement avec l'air expiré. Que peux-tu en conclure ?

Réponse. Les deux gaz contiennent du dioxygène (le test est positif dans les deux cas), mais l'air expiré en contient moins que l'air ambiant : le corps a consommé une partie du dioxygène inspiré pendant la respiration.

3.2  Une expérience complémentaire : la disparition du dioxygène

Autre montage classique : on fait brûler une bougie posée sur l'eau, sous une cloche de verre fermée. La bougie brûle un moment, puis s'éteint, pendant que l'eau monte à l'intérieur de la cloche.

Exemple — lecture du résultat

La cloche contenait initialement 250 mL d'air. L'eau est montée jusqu'à occuper 52 mL du volume de la cloche avant que la bougie ne s'éteigne. Estime le pourcentage volumique de dioxygène consommé.

  1. pourcentage =52250×100= \dfrac{52}{250} \times 100
  2. ==20,8 %20{,}8\ \%
  3. valeur proche de 21 %21\ \%cohérent avec la composition théorique de l'air

La bougie consomme le dioxygène de l'air enfermé sous la cloche ; l'eau monte pour occuper exactement le volume de gaz disparu. Le gaz restant, qui n'entretient plus la combustion, est essentiellement du diazote.

Attention

Pour que le test de la bûchette fonctionne, elle doit être réellement incandescente (aucune flamme visible) avant d'être introduite dans le gaz : une bûchette encore enflammée brûlerait de toute façon, même dans un gaz pauvre en dioxygène, et fausserait le résultat.

4Masse de l'air

Longtemps, on a cru l'air « sans poids », puisqu'on ne le sent jamais peser sur nous. Une expérience simple, mais très soignée, prouve pourtant le contraire.

4.1  L'air a une masse : l'expérience du ballon pesé

Définition

La masse volumique de l'air, notée ρ\rho (« rhô »), est la masse d'un litre d'air. Dans les conditions habituelles de température et de pression, on retient la valeur usuelle :

ρair≈1,2 g/L\rho_{\text{air}} \approx 1{,}2\ \text{g/L}

Pour la mesurer, on pèse un ballon de baudruche dégonflé, puis on le gonfle avec un volume connu d'air (mesuré, par exemple, avec une seringue) et on le pèse à nouveau. La masse a augmenté : c'est bien l'air ajouté qui pèse.

Ballon dégonflé Ballon gonflé (+0,5 L d'air) 3,00 g 3,60 g on gonfle+ 0,60 g
Figure 3 — La pesée du ballon : gonflé avec 0,5 L d'air supplémentaire, le ballon pèse 0,60 g de plus. Cet air ajouté a bien une masse.
Propriété

La masse mm d'un volume VV d'air se calcule à partir de la masse volumique ρ\rho :

m=ρ×Vm = \rho \times V

avec mm en grammes (g), ρ\rho en grammes par litre (g/L), et VV en litres (L).

4.2  Calculer la masse d'un volume d'air

Méthode — calculer une masse d'air

On identifie le volume VV en litres (en convertissant si besoin : 1 m3=1 000 L1\ \text{m}^3 = 1\,000\ \text{L}), puis on applique m=ρ×Vm = \rho \times V avec ρ≈1,2 g/L\rho \approx 1{,}2\ \text{g/L}.

Exemple — masse d'air dans une salle de classe

Une salle mesure 8 m sur 6 m, avec 3 m de hauteur sous plafond. Calcule la masse d'air qu'elle contient.

  1. V=8×6×3V = 8 \times 6 \times 3
  2. ==144 m3144\ \text{m}^3
  3. V=144×1 000V = 144 \times 1\,000
  4. ==144 000 L144\,000\ \text{L}
  5. m=1,2×144 000m = 1{,}2 \times 144\,000
  6. ==172 800 g=172,8 kg172\,800\ \text{g} = 172{,}8\ \text{kg}
Exemple — masse d'air dans un pneu de vélo

Un pneu de vélo contient 2 L d'air (mesurés à pression atmosphérique équivalente). Calcule la masse de cet air.

  1. m=1,2×2m = 1{,}2 \times 2
  2. ==2,4 g2{,}4\ \text{g}
Attention

Erreur fréquente : oublier de convertir les m3\text{m}^3 en litres avant d'appliquer m=ρ×Vm = \rho \times V (car ρ\rho est donnée en g/L). Rappelle-toi : 1 m3=1 000 L1\ \text{m}^3 = 1\,000\ \text{L}.

5Pression et compressibilité

L'air a un volume et une masse, comme n'importe quelle matière. Mais il a aussi une particularité que l'eau ou le bois n'ont pas : on peut « l'écraser » dans un espace plus petit.

5.1  L'air est compressible

Définition

Un gaz est compressible : on peut diminuer son volume en le comprimant, c'est-à-dire en le poussant dans un espace plus petit sans qu'il puisse s'échapper. Les liquides et les solides, eux, ne sont quasiment pas compressibles.

A · Seringue bouchée, piston tiré : V₁ = 20 mL doigt piston 05101520(mL) B · On pousse le piston, orifice bouché : V₂ = 10 mL doigt piston 05101520(mL) On pousse !
Figure 4 — L'orifice de la seringue est bouché par un doigt : l'air ne peut pas s'échapper. En poussant le piston, on force le même air à occuper un volume deux fois plus petit (de 20 mL à 10 mL) : le piston résiste de plus en plus.

Dans cette expérience, la quantité d'air enfermée dans la seringue ne change pas : c'est toujours le même air, donc la même masse. Seul son volume diminue. Plus tu pousses, plus l'air comprimé « résiste » et pousse en retour sur le piston : c'est ce qui te permet de sentir qu'il devient de plus en plus dur de pousser.

Exemple — une bulle d'air en plongée

Un plongeur relâche une petite bulle d'air au fond de l'eau ; en remontant vers la surface, la bulle grossit nettement. La masse de gaz dans la bulle ne change pas. Comment expliquer que son volume augmente ?

Réponse. Près de la surface, l'eau (et l'air au-dessus) exerce une pression bien plus faible que dans les profondeurs. L'air de la bulle, moins comprimé, peut occuper un plus grand volume — exactement l'inverse de l'expérience de la seringue qu'on pousse.

5.2  La pression atmosphérique (en approche)

Définition

La pression atmosphérique est la force que l'air de l'atmosphère exerce sur toute surface, dans toutes les directions. Elle se mesure en pascals (Pa) et vaut, en moyenne au niveau de la mer, environ 1 013 hPa1\,013\ \text{hPa} (hectopascals).

Exemple — pourquoi une paille fonctionne

Quand tu aspires dans une paille, tu ne « tires » pas vraiment le liquide vers toi. Tu diminues la pression de l'air à l'intérieur de la paille : la pression atmosphérique, plus forte à l'extérieur, pousse alors le liquide vers le haut, dans la paille. C'est la pression de l'air ambiant qui fait tout le travail.

Attention

Erreur fréquente : penser que « l'air est trop léger pour exercer une vraie force ». C'est faux : une canette métallique vide, chauffée puis brusquement refroidie et bouchée, peut être écrasée par la seule pression atmosphérique extérieure, sans qu'on la touche.

6Qualité de l'air

L'air que tu respires n'est pas toujours aussi propre. Sa composition de base (78 % / 21 % / moins de 1 %) reste presque la même, mais des substances indésirables peuvent s'y ajouter.

6.1  Un air propre… ou pollué ?

Définition

La pollution de l'air désigne la présence, dans l'air, de substances qui n'y sont pas naturellement en grande quantité et qui peuvent nuire à la santé ou à l'environnement : poussières, fumées, gaz divers.

En Afrique sahélienne, une source naturelle très caractéristique est l'harmattan : ce vent chargé de fines poussières venues du Sahara réduit fortement la visibilité et la qualité de l'air, de Ndjamena à Bamako, en passant par Abéché. D'autres sources sont liées aux activités humaines : les fumées des véhicules, des feux de brousse et de certaines usines, ainsi que l'augmentation du dioxyde de carbone CO2\text{CO}_2, rejeté en grande quantité par les combustions.

6.2  Interpréter un indice de qualité de l'air

Pour informer la population simplement, on utilise un indice de qualité de l'air : une échelle qui classe l'air du jour en quelques catégories, de « bon » à « très mauvais », à partir des mesures de poussières et de gaz polluants.

Échelle simplifiée de l'indice de qualité de l'air BonMoyenMauvaisTrès mauvais Exemple : pic de poussières d'harmattan à Ndjamena → l'indice atteint alors souvent la catégorie « mauvais »
Figure 5 — Échelle simplifiée de l'indice de qualité de l'air : plus la catégorie est « rouge » ou « violette », plus il est recommandé de limiter les activités physiques en extérieur.
Méthode — réagir selon l'indice

Catégorie « bon » ou « moyen » : activités en extérieur normales. Catégorie « mauvais » : limiter les efforts physiques prolongés en extérieur, en particulier pour les personnes fragiles. Catégorie « très mauvais » : éviter autant que possible de sortir, porter un masque si nécessaire.

Exemple — lire l'indice

À Abidjan, l'indice du jour est classé « moyen ». Faut-il annuler l'entraînement de football prévu en plein air ?

Réponse. Non : la catégorie « moyen » ne nécessite pas d'annulation particulière ; seules les catégories « mauvais » et « très mauvais » imposent des précautions renforcées.

Chimie & Co — Le smog de Donora

En octobre 1948, dans la petite ville industrielle de Donora, aux États-Unis, un épais brouillard chargé de fumées d'usines reste bloqué au-dessus de la vallée pendant cinq jours. Une vingtaine d'habitants en meurent et des milliers tombent malades. Cet événement, très médiatisé, pousse plusieurs pays à créer les premiers systèmes officiels de surveillance de la qualité de l'air, ancêtres des indices que l'on consulte aujourd'hui.

Attention

Un ciel qui paraît clair n'est pas forcément synonyme d'air sain : certains polluants, comme le dioxyde de carbone CO2\text{CO}_2 ou certains gaz d'échappement, sont invisibles. À l'inverse, les poussières d'harmattan sont visibles mais ne sont qu'une des nombreuses causes possibles de mauvaise qualité de l'air.

Fiche mémo

  • L'air est un mélange : N2≈78 %\text{N}_2 \approx 78\ \%, O2≈21 %\text{O}_2 \approx 21\ \%, autres gaz <1 %< 1\ \% (en volume).
  • Diazote N2\text{N}_2 : incolore, inodore, n'entretient pas la combustion, non utilisé par la respiration.
  • Dioxygène O2\text{O}_2 : incolore, inodore, entretient la combustion, indispensable à la respiration.
  • Test du dioxygène : une bûchette incandescente se rallume dans un gaz riche en O2\text{O}_2.
  • L'air est de la matière : il a une masse, mise en évidence par la pesée d'un ballon avant/après gonflage.
  • Masse volumique de l'air : ρair≈1,2 g/L\rho_{\text{air}} \approx 1{,}2\ \text{g/L}, d'où m=ρ×Vm = \rho \times V.
  • Conversion utile : 1 m3=1 000 L1\ \text{m}^3 = 1\,000\ \text{L}.
  • L'air est compressible : à masse constante, son volume peut diminuer (seringue bouchée qu'on pousse).
  • Pression atmosphérique : force exercée par l'air, environ 1 013 hPa1\,013\ \text{hPa} au niveau de la mer.
  • Pollution de l'air : poussières (harmattan), fumées, CO2\text{CO}_2 en excès.
  • Indice de qualité de l'air : de « bon » à « très mauvais » ; plus il est mauvais, plus on limite les activités en extérieur.

7Exercices corrigés

Seize exercices, du plus simple au plus concret, pour vérifier que tu maîtrises toute la leçon. Le corrigé détaillé est caché sous chaque énoncé : essaie d'abord seul(e), puis vérifie.

Niveau 1 — Application directe
1

Observe la Figure 1. Donne le pourcentage volumique de diazote, puis de dioxygène, dans l'air. Calcule ensuite le pourcentage des « autres gaz ».

Voir le corrigé détaillé

D'après la Figure 1 : diazote ≈78 %\approx 78\ \%, dioxygène ≈21 %\approx 21\ \%.

  1. pourcentage des autres gaz =100−78−21= 100 - 78 - 21
  2. ==1 %1\ \%soit un peu moins de 1 % en réalité
2

Associe chaque propriété au bon gaz (diazote ou dioxygène) : a) gaz le plus abondant dans l'air ; b) gaz qui entretient les combustions ; c) gaz indispensable à la respiration ; d) gaz qui ne réagit presque pas chimiquement dans les conditions habituelles.

Voir le corrigé détaillé

a) Diazote N2\text{N}_2 (≈ 78 % du volume). b) Dioxygène O2\text{O}_2. c) Dioxygène O2\text{O}_2. d) Diazote N2\text{N}_2.

3

Une salle contient 90 L d'air. Calcule le volume de dioxygène présent dans cette salle.

Voir le corrigé détaillé
  1. V(O2)=90×0,21V(\text{O}_2) = 90 \times 0{,}21
  2. ==18,9 L18{,}9\ \text{L}
4

La masse volumique de l'air vaut environ 1,2 g/L. Calcule la masse de 5 L d'air.

Voir le corrigé détaillé
  1. m=1,2×5m = 1{,}2 \times 5
  2. ==6 g6\ \text{g}
5

Décris en une phrase le test qui permet de reconnaître le dioxygène, et le résultat qui indique un test positif.

Voir le corrigé détaillé

On approche une bûchette incandescente (sans flamme) du gaz à tester. Si le gaz contient beaucoup de dioxygène, la bûchette se rallume avec une flamme vive : le test est positif.

Niveau 2 — Approfondissement
6

Un ballon de baudruche gonflé contient 2,5 L d'air. Calcule le volume de diazote, le volume de dioxygène, puis la masse totale de cet air (masse volumique 1,2 g/L).

Voir le corrigé détaillé
  1. V(N2)=2,5×0,78V(\text{N}_2) = 2{,}5 \times 0{,}78
  2. ==1,95 L1{,}95\ \text{L}
  3. V(O2)=2,5×0,21V(\text{O}_2) = 2{,}5 \times 0{,}21
  4. ==0,525 L0{,}525\ \text{L}
  5. m=1,2×2,5m = 1{,}2 \times 2{,}5
  6. ==3 g3\ \text{g}
7

On réalise le test de la bûchette incandescente sur trois flacons A, B, C. En A, la bûchette s'éteint aussitôt. En B, elle se rallume vivement. En C, rien de particulier ne se passe (elle continue de se consumer lentement, comme à l'air libre). Pour chaque flacon, dis si le gaz est plutôt riche en dioxygène, pauvre en dioxygène, ou proche de l'air normal, en justifiant.

Voir le corrigé détaillé

Flacon A : la bûchette s'éteint, la combustion n'est pas entretenue → gaz pauvre en dioxygène (proche du diazote pur). Flacon B : la bûchette se rallume vivement → gaz riche en dioxygène. Flacon C : comportement identique à l'air libre → gaz proche de l'air normal (≈ 21 % de dioxygène).

8

Une salle mesure 5 m sur 4 m, avec 2,5 m de hauteur sous plafond. Calcule le volume d'air en m³ puis en L, puis sa masse en kg.

Voir le corrigé détaillé
  1. V=5×4×2,5V = 5 \times 4 \times 2{,}5
  2. ==50 m350\ \text{m}^3
  3. V=50×1 000V = 50 \times 1\,000
  4. ==50 000 L50\,000\ \text{L}
  5. m=1,2×50 000m = 1{,}2 \times 50\,000
  6. ==60 000 g=60 kg60\,000\ \text{g} = 60\ \text{kg}
9

Explique pourquoi il serait dangereux de respirer en permanence du dioxygène pur, alors que le dioxygène est indispensable à la vie. Quel rôle joue le diazote dans cette histoire ?

Voir le corrigé détaillé

Le dioxygène est indispensable, mais en trop grande proportion, il devient dangereux : il rendrait les combustions (et certaines réactions dans le corps) beaucoup trop violentes. Le diazote, très peu réactif, joue le rôle de gaz diluant : il ramène la proportion de dioxygène à environ 21 %, un taux compatible avec une combustion et une respiration maîtrisées. C'est pour cela que l'air « normal », et non du dioxygène pur, est adapté à la vie.

Niveau 3 — Défi
10

On enflamme une bougie posée sur l'eau, sous une cloche de verre fermée contenant initialement 300 mL d'air. L'eau monte peu à peu dans la cloche et se stabilise quand elle occupe 63 mL du volume initial ; à ce moment, la bougie s'éteint.

  1. Quel gaz de l'air a été consommé par la combustion de la bougie ?
  2. Calcule le pourcentage volumique de ce gaz dans l'air, d'après cette expérience. Compare à la valeur théorique (21 %).
  3. En réalité, la bougie s'éteint avant que tout le dioxygène ait disparu (on ne descend pas en dessous d'environ 15-16 % de dioxygène). Comment l'expliquer ?
Voir le corrigé détaillé

1. La combustion consomme le dioxygène O2\text{O}_2 de l'air enfermé ; l'eau monte pour occuper exactement le volume de gaz disparu.

2.

  1. pourcentage =63300×100= \dfrac{63}{300} \times 100
  2. ==21 %21\ \%
  3. valeur mesurée =21 %= 21\ \%identique à la valeur théorique de référence

3. Une flamme a besoin d'une proportion minimale de dioxygène pour se maintenir (environ 15-16 %). Dès que la proportion de dioxygène restant descend sous ce seuil, la flamme s'éteint, même s'il reste encore un peu de dioxygène dans la cloche : tout le dioxygène disponible n'est donc pas consommé.

11

Un ballon de baudruche dégonflé pèse 2,84 g. Gonflé avec 1,2 L d'air supplémentaire, il pèse 4,20 g.

  1. Calcule la masse d'air ajoutée.
  2. Déduis-en la masse volumique de l'air mesurée dans cette expérience, en g/L.
  3. Compare à la valeur théorique de référence (1,2 g/L) et propose une explication à l'écart observé.
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. masse ajoutée =4,20−2,84= 4{,}20 - 2{,}84
  2. ==1,36 g1{,}36\ \text{g}

2.

  1. ρmesureˊe=1,361,2\rho_{\text{mesurée}} = \dfrac{1{,}36}{1{,}2}
  2. ≈\approx1,13 g/L1{,}13\ \text{g/L}

3. La valeur mesurée (≈ 1,13 g/L) est un peu inférieure à la valeur théorique (1,2 g/L). Cet écart peut s'expliquer par l'imprécision de la balance, par une petite fuite d'air pendant la manipulation, ou par une incertitude sur le volume réellement ajouté (mesuré à la seringue). Ce genre d'écart, faible, est normal en travaux pratiques.

12

En haute montagne (par exemple au sommet du Kilimandjaro, 5 892 m), on a beaucoup plus de mal à respirer, alors que le pourcentage de dioxygène dans l'air (21 %) est le même qu'au niveau de la mer.

  1. Rappelle ce que signifie « pourcentage volumique ».
  2. Sachant que l'air est moins dense en altitude (sa masse volumique y est plus faible : l'air y est « moins tassé »), explique pourquoi la quantité de dioxygène réellement disponible dans un même volume d'air inspiré est plus faible en altitude, même si le pourcentage ne change pas.
Voir le corrigé détaillé

1. Le pourcentage volumique indique la proportion du volume total occupée par un gaz : 21 % signifie que, sur 100 L d'air, 21 L sont du dioxygène — quel que soit l'endroit où l'on se trouve.

2. En altitude, l'air est moins dense : un même volume d'air (par exemple 1 L) contient moins de molécules au total qu'au niveau de la mer, donc aussi moins de molécules de dioxygène, même si celles-ci représentent toujours 21 % du total. À chaque inspiration, les poumons reçoivent donc moins de dioxygène qu'au niveau de la mer : c'est pour cela que respirer est plus difficile en altitude.

13

Tu disposes de deux flacons fermés contenant chacun un gaz inconnu : l'un contient du diazote pur, l'autre du dioxygène pur (tu ne sais pas lequel est lequel). Tu disposes aussi d'une bûchette et d'allumettes. Décris un protocole expérimental permettant d'identifier avec certitude le contenu de chaque flacon, en précisant le résultat attendu dans chaque cas.

Voir le corrigé détaillé

On allume une bûchette, on souffle sur la flamme pour la rendre incandescente (sans flamme visible), puis on l'introduit rapidement dans le premier flacon.

  • Si la bûchette se rallume avec une flamme vive : ce flacon contient le dioxygène pur.
  • Si la bûchette reste éteinte (ou continue simplement à se consumer très faiblement, sans flamme) : ce flacon contient le diazote pur.

On peut recommencer l'opération avec une nouvelle bûchette incandescente sur le second flacon pour confirmer : le résultat doit être opposé à celui du premier flacon, ce qui valide l'identification des deux gaz.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante
14

La fête d'anniversaire (Dakar). Pour l'anniversaire de sa petite sœur, Diop gonfle 40 ballons de baudruche, chacun avec 3 L d'air.

  1. Calcule le volume total d'air utilisé, en litres.
  2. Calcule la masse totale de cet air (masse volumique 1,2 g/L), en grammes puis en kilogrammes.
  3. La boutique de Diop facture 25 F CFA par litre d'air fourni. Calcule le prix total payé pour gonfler les 40 ballons.
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1.

  1. V=40×3V = 40 \times 3
  2. ==120 L120\ \text{L}

2.

  1. m=1,2×120m = 1{,}2 \times 120
  2. ==144 g=0,144 kg144\ \text{g} = 0{,}144\ \text{kg}

3.

  1. prix =120×25= 120 \times 25
  2. ==3 000 F CFA3\,000\ \text{F CFA}

Diop utilise 120 L d'air (soit environ 144 g) pour un coût total de 3 000 F CFA.

15

Harmattan à Ndjamena. Pendant un pic de poussières, l'indice de qualité de l'air atteint la catégorie « mauvais ». Le collège d'Amina, qui compte 480 élèves, décide de distribuer 2 masques de protection par élève, achetés 150 F CFA l'unité.

  1. D'après la Figure 5, quelle est la catégorie juste au-dessus de « mauvais » ? Que recommande-t-on de faire dans ce cas ?
  2. Calcule le nombre total de masques à acheter.
  3. Calcule le coût total, en F CFA, puis en milliers de F CFA.
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1. La catégorie juste au-dessus de « mauvais » est « très mauvais ». Dans ce cas, il est recommandé d'éviter de sortir autant que possible et de porter un masque si nécessaire.

2.

  1. nombre de masques =480×2= 480 \times 2
  2. ==960 masques960\ \text{masques}

3.

  1. coût =960×150= 960 \times 150
  2. ==144 000 F CFA144\,000\ \text{F CFA}
  3. ==144144 milliers de F CFA
16

Le pneu de vélo (Bamako). Ibrahima, de passage à Bamako, fait gonfler le pneu de son vélo. À plat, le pneu contient déjà 0,8 L d'air (mesuré à pression atmosphérique équivalente). Le vélociste y ajoute, à la pompe, l'équivalent de 3,4 L d'air supplémentaire (mesuré de la même façon).

  1. Calcule le volume total d'air, mesuré à pression atmosphérique équivalente, présent dans le pneu gonflé.
  2. Calcule la masse totale de cet air (masse volumique 1,2 g/L).
  3. Le vélociste facture le gonflage 100 F CFA par litre d'air ajouté (le volume déjà présent n'est pas facturé). Calcule le prix payé par Ibrahima.
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1.

  1. Vtotal=0,8+3,4V_{\text{total}} = 0{,}8 + 3{,}4
  2. ==4,2 L4{,}2\ \text{L}

2.

  1. m=1,2×4,2m = 1{,}2 \times 4{,}2
  2. ==5,04 g5{,}04\ \text{g}

3.

  1. prix =3,4×100= 3{,}4 \times 100
  2. ==340 F CFA340\ \text{F CFA}seul le volume ajouté est facturé, pas le volume déjà présent

Ibrahima paie 340 F CFA pour le gonflage de son pneu.

📝 QCM de fin de leçon — 20 questions

Coche une réponse par question, puis clique sur « Vérifier mes réponses » : tu obtiens ta note sur 20 avec la correction détaillée de chaque question.

L'air est :

Explication : L'air est un mélange homogène de plusieurs gaz, si bien mélangés qu'on ne peut pas les distinguer à l'œil nu.

Le gaz le plus abondant dans l'air, en volume, est :

Explication : Le diazote N2\text{N}_2 occupe environ 78 % du volume de l'air, c'est le gaz très largement majoritaire.

Le dioxygène O2\text{O}_2 représente environ quel pourcentage du volume de l'air ?

Explication : Le dioxygène représente environ 21 % du volume de l'air, contre environ 78 % pour le diazote.

Le diazote et le dioxygène sont deux gaz :

Explication : Le diazote et le dioxygène sont tous les deux incolores (sans couleur) et inodores (sans odeur) : c'est pourquoi on ne remarque jamais leur présence directement.

Parmi le diazote et le dioxygène, lequel entretient la combustion (le feu) ?

Explication : Le dioxygène est le seul des deux gaz majoritaires qui entretient une combustion. Le diazote, lui, ne participe ni à la combustion ni à la respiration.

Le test qui permet de reconnaître le dioxygène utilise :

Explication : On approche une bûchette incandescente (qui rougeoie mais n'a plus de flamme) du gaz à tester. Si elle se rallume avec une flamme vive, le gaz contient du dioxygène en proportion importante.

Une salle contient 200 L d'air. Quel est le volume de dioxygène présent dans cette salle ?

Explication : V(O2)=200×0,21V(\text{O}_2) = 200 \times 0{,}21
=42= 42 L.

La masse volumique de l'air, dans les conditions habituelles, vaut environ :

Explication : On retient la valeur usuelle ρair≈1,2\rho_{\text{air}} \approx 1{,}2 g/L, c'est-à-dire la masse d'un litre d'air.

Calcule la masse de 4 L d'air (masse volumique 1,2 g/L).

Explication : m=ρ×Vm = \rho \times V
=1,2×4= 1{,}2 \times 4
=4,8= 4{,}8 g.

Un ballon de baudruche dégonflé pèse 2,50 g. Gonflé avec de l'air, il pèse 3,10 g. Que peut-on en conclure ?

Explication : La masse a augmenté de 3,10−2,50=0,603{,}10 - 2{,}50 = 0{,}60 g : c'est bien l'air ajouté qui pèse. L'air est de la matière, il a une masse.

Une pièce mesure 10 m sur 5 m, avec 2 m de hauteur sous plafond. Quel est son volume d'air, en m³ ?

Explication : V=10×5×2V = 10 \times 5 \times 2
=100 m3= 100\ \text{m}^3.

Un gaz est dit compressible quand :

Explication : Un gaz est compressible : on peut réduire son volume en le poussant dans un espace plus petit. Les liquides et solides, eux, ne sont quasiment pas compressibles.

Dans l'expérience de la seringue bouchée que l'on pousse, la masse d'air enfermé :

Explication : La quantité d'air enfermée dans la seringue ne change pas : c'est toujours le même air, donc la même masse. Seul son volume diminue.

La pression atmosphérique moyenne, au niveau de la mer, vaut environ :

Explication : La pression atmosphérique vaut, en moyenne au niveau de la mer, environ 1 013 hPa (hectopascals).

On fait brûler une bougie posée sur l'eau sous une cloche fermée contenant 200 mL d'air. Quand la bougie s'éteint, l'eau a occupé 42 mL du volume de la cloche. Quel pourcentage de gaz a été consommé ?

Explication : pourcentage =42200×100= \dfrac{42}{200} \times 100
=21= 21 %, ce qui est cohérent avec le dioxygène consommé par la combustion.

Trois flacons sont testés à la bûchette incandescente. Dans le flacon C, elle continue simplement à se consumer lentement, comme à l'air libre, sans se rallumer ni s'éteindre. Que peut-on en conclure ?

Explication : Un comportement identique à l'air libre indique un gaz proche de l'air normal, avec sa proportion habituelle d'environ 21 % de dioxygène.

L'harmattan, ce vent chargé de poussières venues du Sahara, est un exemple de :

Explication : L'harmattan charrie de fines poussières qui réduisent la visibilité et la qualité de l'air, sans changer la composition de base des gaz majoritaires de l'air.

À Ndjamena, l'indice de qualité de l'air atteint la catégorie « mauvais ». Que recommande-t-on ?

Explication : En catégorie « mauvais », il est recommandé de limiter les efforts physiques prolongés en extérieur, en particulier pour les personnes fragiles.

En haute montagne, respirer est plus difficile alors que le pourcentage de dioxygène dans l'air (21 %) est le même qu'au niveau de la mer. Comment l'expliquer ?

Explication : En altitude, l'air est moins dense : un même volume inspiré contient moins de molécules au total, donc moins de dioxygène, même si le pourcentage (21 %) reste identique.

Pourquoi serait-il dangereux de respirer en permanence du dioxygène pur, alors que le dioxygène est indispensable à la vie ?

Explication : Le diazote joue le rôle de gaz diluant : il ramène la proportion de dioxygène à environ 21 %, un taux compatible avec une combustion et une respiration maîtrisées. Du dioxygène pur rendrait tout bien trop violent.
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