L'air est un mélange, pas un composé
Un mélange est formé de deux substances ou plus, mélangées mais non liées par une réaction chimique. L'air est un mélange. Comment le sait-on ?
- La quantité de chaque gaz peut changer. Dans une salle pleine de monde, il y a plus de dioxyde de carbone. Au-dessus de la mer, il y a plus de vapeur d'eau. Un composé a toujours une composition fixe.
- Chaque gaz garde ses propres propriétés. L'oxygène de l'air aide toujours à brûler. L'azote de l'air n'aide toujours pas.
- On peut séparer les gaz par des moyens physiques. Quand l'air est refroidi à environ −200 °C, il devient liquide. Si on le réchauffe lentement, chaque gaz s'évapore à sa propre température (distillation fractionnée). L'azote bout à −196 °C, l'argon à −186 °C, l'oxygène à −183 °C.
- Mélanger des gaz pour faire de l'air ne dégage ni chaleur ni lumière, contrairement à la fabrication d'un composé.
Quels gaz y a-t-il dans l'air ?
Dans l'air sec et propre (en volume) :
| Gaz | Pourcentage | Rôle principal |
|---|---|---|
| Azote, N₂ | environ 78 % | Dilue l'oxygène ; les plantes l'obtiennent grâce aux bactéries du sol ; sert à fabriquer des engrais |
| Oxygène, O₂ | environ 21 % | Respiration et combustion (brûler) |
| Argon, Ar | environ 0.93 % | Gaz noble qui ne réagit pas |
| Dioxyde de carbone, CO₂ | environ 0.04 % | Les plantes l'utilisent pour la photosynthèse ; retient la chaleur |
| Néon, hélium, krypton, xénon | traces minuscules | Gaz nobles |
La vapeur d'eau n'est pas dans le tableau parce qu'elle varie : presque 0 % dans un désert, environ 4 % dans une forêt tropicale humide. L'air transporte aussi de la poussière, du pollen et des microbes.
Gaz nobles : propriétés et utilisations
L'hélium, le néon, l'argon, le krypton et le xénon sont les gaz nobles (groupe 18). Leurs atomes ont la couche externe pleine, donc ils ne réagissent presque jamais. Ils sont incolores et sans odeur.
- Argon : remplit les ampoules à filament et protège le métal chaud pendant la soudure, pour qu'il ne brûle pas.
- Hélium : très léger et ne brûle pas, donc utilisé dans les ballons météo et les ballons de fête.
- Néon : brille en rouge-orangé dans les enseignes lumineuses quand l'électricité le traverse.
- Krypton et xénon : lampes très brillantes, comme les phares de voiture et les lampes de phare maritime.
Mesurer l'oxygène de l'air
Idée : on piège un volume connu d'air. On consomme seulement l'oxygène. On regarde de combien le volume diminue.
Méthode 1 : fer qui rouille
Pousse de la laine de fer humide tout en haut d'un tube gradué. Pose le tube à l'envers dans l'eau. Pendant quelques jours, le fer rouille. La rouille consomme de l'oxygène, donc l'eau monte dans le tube pour prendre sa place. Elle s'arrête à environ 1/5 (21 %) du volume d'air.
Méthode 2 : combustion du phosphore (cloche)
On brûle du phosphore rouge dans une cloche posée dans l'eau. Il réagit avec l'oxygène et forme un oxyde solide blanc, qui se dissout. Quand la cloche refroidit, l'eau monte d'environ 1/5 de la hauteur.
Méthode 3 : cuivre chauffé et deux seringues
On pousse 100 cm³ d'air dans les deux sens sur du cuivre chaud, entre deux seringues à gaz. Le cuivre devient noir (oxyde de cuivre) en prenant l'oxygène. Après refroidissement, il reste environ 79 cm³, donc environ 21 cm³ étaient de l'oxygène.
Pourcentage d'oxygène = (volume consommé ÷ volume de départ) × 100. Le gaz restant n'entretient pas la combustion : une allumette enflammée s'y éteint. Cela montre que c'est surtout de l'azote.
Pollution de l'air : sources, effets et protection
Un polluant est une substance ajoutée à l'air qui nuit aux êtres vivants ou aux bâtiments.
| Polluant | Source principale | Effet |
|---|---|---|
| Particules (PM2.5, PM10, suie) | Moteurs diesel, brûlage des déchets agricoles, poussière | Pénètrent profondément dans les poumons ; asthme, maladies du cœur ; smog |
| Monoxyde de carbone (CO) | Combustion avec trop peu d'air ; gaz d'échappement | Poison : empêche le sang de transporter l'oxygène |
| Dioxyde de soufre (SO₂) | Combustion de charbon et de pétrole contenant du soufre | Pluies acides ; problèmes respiratoires ; abîme le marbre |
| Oxydes d'azote (NO, NO₂) | Moteurs de voiture très chauds ; centrales électriques | Pluies acides ; smog |
| CO₂ en excès, méthane | Combustion des énergies fossiles ; élevages et cultures | Retiennent la chaleur : réchauffement climatique |
Protéger l'air
- Prends les transports en commun, le vélo ou marche ; passe aux véhicules électriques et au GNV.
- Les pots catalytiques transforment le CO et le NO en CO₂ et N₂.
- Les épurateurs enlèvent le SO₂ des fumées des centrales ; utilise des carburants pauvres en soufre.
- Ne brûle pas les ordures ni les chaumes ; plante des arbres ; regarde l'indice de qualité de l'air (AQI) et porte un masque les mauvais jours.
Essaie chez toi
Enfonce une petite boule de laine d'acier humide (celle qu'on utilise pour récurer les casseroles) au fond d'un grand verre. Retourne le verre dans une assiette d'eau. Marque le niveau de l'eau avec un ruban adhésif. Regarde après 3 jours. L'eau monte d'environ un cinquième de la hauteur d'air. Tu viens de mesurer l'oxygène de l'air ! (Demande l'aide d'un adulte ; aucune flamme n'est nécessaire.)
Formules et définitions clés
- Air en volume : N₂ ≈ 78 %, O₂ ≈ 21 %, Ar ≈ 0.93 %, CO₂ ≈ 0.04 %
- Pourcentage d'oxygène = (volume d'oxygène consommé ÷ volume d'air de départ) × 100
- Volume d'un gaz dans l'air = volume total × (pourcentage ÷ 100)
- Mélange : parties non liées chimiquement ; les proportions peuvent changer ; séparation par des méthodes physiques
- Gaz nobles (groupe 18) : He, Ne, Ar, Kr, Xe – couche externe pleine, très peu réactifs
Exemples résolus
1. Une salle de classe contient 200 m³ d'air. Environ quelle quantité est de l'oxygène ?
Oxygène ≈ 21 % de 200 m³ = 0.21 × 200 = 42 m³.
2. Dans l'expérience du cuivre, 100 cm³ d'air diminuent jusqu'à 79 cm³. Trouve le pourcentage d'oxygène.
Oxygène consommé = 100 − 79 = 21 cm³. Pourcentage = 21 ÷ 100 × 100 = 21 %.
3. Un tube contient 50 cm³ d'air. Après que la laine de fer a rouillé, il reste 40 cm³ de gaz. Quel pourcentage de l'air était de l'oxygène ? Est-ce proche de la vraie valeur ?
Consommé = 50 − 40 = 10 cm³. Pourcentage = 10 ÷ 50 × 100 = 20 %. Oui, c'est proche de 21 % (les petites erreurs viennent de la lecture de l'échelle ou du fer qui n'a pas consommé tout l'oxygène).
4. Pourquoi utilise-t-on l'argon dans les ampoules et pas l'oxygène ?
L'oxygène ferait brûler le filament chaud, qui casserait. L'argon est un gaz noble : il ne réagit pas, donc le filament dure plus longtemps.
Erreurs fréquentes
- Dire que l'air est surtout de l'oxygène. L'air est surtout de l'azote (78 %) ; l'oxygène n'en est qu'environ 21 %.
- Appeler l'air un composé. C'est un mélange : sa composition peut changer et ses gaz se séparent par des moyens physiques.
- Croire que le dioxyde de carbone est une grande partie de l'air. Il n'en représente qu'environ 0.04 %, même s'il compte beaucoup pour le climat.
- Utiliser le volume final au lieu du volume consommé : % d'oxygène = (début − fin) ÷ début × 100.