Karamö, le prof virtuelLeçon 6 sur 17
La composition de l'air
Je sais que l'air est un mélange de gaz, je connais ses deux constituants principaux et leurs proportions, et je sais reconnaître le dioxygène.
- 40 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Montrer que l'air est de la matière (il a une masse, il est compressible)
- Connaître la composition de l'air : environ 78 % de diazote et 21 % de dioxygène
- Décrire une expérience qui montre la proportion de dioxygène
- Connaître le test du dioxygène et le rôle de chaque constituant
Avant de commencer : Les leçons sur les mélanges (mélange homogène) et sur les états de la matière (propriétés des gaz).
1Je découvre
Pendant les vacances, Sékou regonfle le ballon de football avec une pompe, sur le terrain de Siguiri. Il remarque que le ballon devient dur : on a poussé beaucoup d'air dans un petit volume. Son oncle, qui répare des pneus de motos, lui dit : « L'air, ce n'est pas du vide, c'est quelque chose. D'ailleurs, sans air, le feu s'éteint et l'homme meurt. »
Le soir, Sékou regarde sa mère allumer le fourneau : elle souffle sur les braises pour « donner de l'air au feu ». Il se demande : « Qu'est-ce qu'il y a dans l'air ? Est-ce que tout l'air sert à respirer et à faire brûler ? »
De quoi l'air est-il composé, et comment le prouver ?
2Je comprends
1. L'air est de la matière
On ne voit pas l'air, mais on peut montrer qu'il existe et qu'il est de la matière.
- On le sent : le vent, l'harmattan qui souffle en saison sèche, c'est de l'air en mouvement.
- Il occupe un volume : si on enfonce un verre retourné dans une bassine d'eau, l'eau n'entre pas complètement dans le verre, car l'air y est enfermé.
- Il est compressible et expansible : comme tous les gaz, on peut le comprimer (pompe, pneu) et il occupe tout l'espace qu'on lui offre.
- Il a une masse : un ballon bien gonflé est un peu plus lourd que le même ballon dégonflé. Dans les conditions ordinaires, 1 litre d'air a une masse d'environ 1,2 g.
Exemple
Quelle est la masse de l'air d'une salle de classe de 8 m de long, 6 m de large et 3 m de haut ?
Volume de la salle : 8 × 6 × 3 = 144 m³.
Or 1 m³ = 1 000 L, donc V = 144 000 L.
Masse de l'air : 144 000 × 1,2 g = 172 800 g, soit environ 173 kg.
L'air de la classe pèse donc plus lourd que deux adultes réunis !
2. L'air est un mélange de gaz
À l'œil nu, l'air est incolore et on ne distingue aucun constituant : c'est un mélange homogène. Pourtant il contient plusieurs gaz. Les deux principaux sont :
- le diazote (on dit souvent « azote ») ;
- le dioxygène (on dit souvent « oxygène »).
On y trouve aussi, en petites quantités, de l'argon, du dioxyde de carbone (ou gaz carbonique), de la vapeur d'eau (en quantité variable : beaucoup en saison des pluies, peu pendant l'harmattan), et d'autres gaz en très faibles quantités, ainsi que des poussières.
| Gaz | Proportion en volume dans l'air sec | Fraction simple |
|---|---|---|
| Diazote | environ 78 % | environ 45 |
| Dioxygène | environ 21 % | environ 15 |
| Autres gaz (argon, dioxyde de carbone…) | environ 1 % | — |
On retient : dans 5 L d'air, il y a environ 1 L de dioxygène et 4 L de diazote.
Exemple
Quel volume de dioxygène contient une bouteille de 1,5 L remplie d'air ? Et un pneu contenant 20 L d'air ?
Le dioxygène représente environ 1/5 (ou 21 %) du volume de l'air.
Bouteille : 1,5 × 1/5 = 0,3 L de dioxygène (avec 21 % : 1,5 × 0,21 = 0,315 L, soit environ 0,3 L).
Pneu : 20 × 1/5 = 4 L de dioxygène, et 20 − 4 = 16 L de diazote et d'autres gaz.
3. Une expérience pour trouver la part du dioxygène
On humidifie un peu de paille de fer (laine d'acier très fine) et on la place au fond d'une éprouvette graduée. On retourne l'éprouvette sur une cuvette d'eau, en notant le volume d'air enfermé, par exemple 50 mL. On attend plusieurs jours.
Observations. La paille de fer rouille. L'eau monte dans l'éprouvette, puis s'arrête : le volume d'air restant n'est plus que d'environ 40 mL.
Interprétation. En rouillant, le fer a consommé un gaz de l'air : le dioxygène. L'eau a pris sa place. Le volume disparu est d'environ 50 − 40 = 10 mL, soit 1050 = 15 du volume de départ.
Le gaz restant ne rallume pas une bûchette incandescente et n'entretient pas la vie : c'est surtout du diazote.
- 1On place de la paille de fer humide au fond d'une éprouvette.
- 2On retourne l'éprouvette sur une cuvette d'eau et on note le volume d'air (50 mL).
- 3On attend plusieurs jours : le fer rouille en consommant le dioxygène.
- 4L'eau monte dans l'éprouvette et s'arrête : il reste environ 40 mL de gaz.
- 5Conclusion : environ 1/5 de l'air était du dioxygène ; le gaz restant est surtout du diazote.
Au XVIIIe siècle, le chimiste Lavoisier a mené une expérience voisine en chauffant du mercure dans un volume d'air enfermé : environ un cinquième de l'air était consommé. Il a ainsi montré que l'air est un mélange, et il a nommé l'oxygène.
4. Reconnaître le dioxygène
Le test du dioxygène : on approche une bûchette incandescente (un bâtonnet de bois qui rougeoie, sans flamme) d'un récipient contenant le gaz. Si la bûchette se rallume et brûle avec une flamme vive, le gaz est du dioxygène (pur ou très concentré).
Dans l'air, la bûchette ne se rallume pas : il n'y a qu'un cinquième de dioxygène, trop peu pour ce test. Dans le diazote, elle s'éteint.
5. Le rôle des constituants de l'air
| Constituant | Propriétés et rôle |
|---|---|
| Dioxygène | Indispensable à la respiration des êtres vivants (hommes, animaux, plantes). Il permet les combustions : c'est le comburant. On l'utilise pur dans les hôpitaux pour aider les malades à respirer et dans les chalumeaux des soudeurs. |
| Diazote | Il ne brûle pas et n'entretient ni les combustions ni la respiration. Il modère l'action du dioxygène : dans du dioxygène pur, les combustions seraient beaucoup trop vives. Certaines plantes (haricot, arachide, niébé) enrichissent le sol en azote grâce à des bactéries de leurs racines. |
| Dioxyde de carbone | Utilisé par les plantes vertes pour fabriquer leur matière (photosynthèse). Il trouble l'eau de chaux (test que tu utiliseras dans les leçons sur les combustions). |
| Vapeur d'eau | Elle forme les nuages, la rosée et la buée. |
Méthode
Pour calculer le volume d'un gaz dans un volume d'air :
- J'écris le volume d'air, avec son unité.
- Je choisis la proportion : 1/5 (ou 21 %) pour le dioxygène, 4/5 (ou 78 %) pour le diazote.
- Je multiplie le volume d'air par cette proportion.
- J'écris le résultat avec la même unité et le mot « environ ».
6. Retour aux questions de Sékou
L'air est bien de la matière : il a une masse et on peut le comprimer dans un ballon. C'est un mélange homogène de gaz. Seul le dioxygène, environ un cinquième de l'air, sert à respirer et à faire brûler le charbon du fourneau : en soufflant sur les braises, la mère de Sékou leur apporte du dioxygène frais. Les quatre cinquièmes restants sont surtout du diazote, qui ne brûle pas.
3Je retiens
Je retiens
L'air est de la matière : il occupe un volume, il est compressible, il a une masse (environ 1,2 g par litre).
L'air est un mélange homogène de gaz.
Composition en volume : environ 78 % de diazote (4/5) et 21 % de dioxygène (1/5) ; environ 1 % d'autres gaz (argon, dioxyde de carbone…), plus de la vapeur d'eau en quantité variable.
Test du dioxygène : il rallume une bûchette incandescente.
Le dioxygène est indispensable à la respiration et aux combustions (comburant) ; le diazote ne brûle pas et modère les combustions.
Le dioxyde de carbone trouble l'eau de chaux.
4Erreurs fréquentes
- Croire que l'air est un corps pur ou qu'il est surtout fait d'oxygène : le gaz le plus abondant est le diazote (environ 4/5).
- Penser que l'air ne pèse rien : 1 L d'air a une masse d'environ 1,2 g.
- Confondre le dioxygène (O₂, qu'on respire et qui entretient les combustions) et le dioxyde de carbone (CO₂, qu'on rejette et qui trouble l'eau de chaux).
- Croire qu'une bûchette incandescente se rallume dans l'air : il faut du dioxygène pur ou très concentré.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie et complète : « L'air est un mélange … de gaz. Il contient environ … % de diazote et … % de dioxygène. Le gaz qui rallume une bûchette incandescente est le …. »
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« L'air est un mélange homogène de gaz. Il contient environ 78 % de diazote et 21 % de dioxygène. Le gaz qui rallume une bûchette incandescente est le dioxygène. »
2Exercice 2
Donne deux expériences simples qui prouvent que l'air est de la matière.
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Exemples : on pèse un ballon dégonflé puis gonflé, il est plus lourd gonflé (l'air a une masse) ; on enfonce un verre retourné dans l'eau, l'eau n'y entre pas complètement (l'air occupe un volume) ; on bouche l'extrémité d'une pompe et on pousse, l'air se comprime (il est compressible).
3Exercice 3
Calcule le volume de dioxygène et le volume de diazote contenus dans : a) 10 L d'air ; b) 250 mL d'air. (Utilise les fractions 1/5 et 4/5.)
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a) Dioxygène : 10 × 15 = 2 L. Diazote (et autres gaz) : 10 × 45 = 8 L.
b) Dioxygène : 250 × 15 = 50 mL. Diazote (et autres gaz) : 250 × 45 = 200 mL.
4Exercice 4
Calcule la masse de l'air contenu dans une chambre de 4 m de long, 3 m de large et 2,5 m de haut. (1 L d'air a une masse de 1,2 g.)
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Volume : 4 × 3 × 2,5 = 30 m³ = 30 000 L. Masse : 30 000 × 1,2 = 36 000 g, soit 36 kg.
5Exercice 5
Fatoumata réalise l'expérience de la paille de fer humide dans une éprouvette retournée sur l'eau. Au départ, il y a 100 mL d'air. Une semaine plus tard, l'eau est montée et il reste 79 mL de gaz.
a) Quel gaz a été consommé par le fer ?
b) Quel volume de ce gaz y avait-il au départ ? Quel pourcentage de l'air cela représente-t-il ?
c) Quel est le principal gaz restant ? Comment montrer qu'il n'entretient pas la combustion ?
d) Pourquoi l'eau est-elle montée dans l'éprouvette ?
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a) Le dioxygène.
b) Volume de dioxygène : 100 - 79 = 21 mL. Pourcentage : 21100 = 21 %, soit environ un cinquième de l'air.
c) Le gaz restant est surtout du diazote. On y plonge une bûchette enflammée : elle s'éteint.
d) Le dioxygène consommé a laissé une place vide : la pression du gaz dans l'éprouvette a diminué et l'eau de la cuvette est montée pour occuper ce volume.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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