Chapitre 2 : L’air qui nous entoure

Chapitre 2 : L’air qui nous entoure

1/ Composition de l’air.

Préambule : Vidéo : « Il était une fois les découvreurs : Lavoisier et la chimie » (voir physikos) 1/ A l’époque, on pensait que la chaleur était un élément particulier : Quel est son nom ? Le phlogiston 2/ En 1769, comment Lavoisier fait-il pour obtenir de l’eau pure et prouver que « l’eau se transforme en terre avec la chaleur » est faux ?

Il distille à plusieurs reprises de l’eau de pluie.

3/ Complète la phrase : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme »

4/ En 1774, quel chimiste anglais trouve qu’il y a deux sortes d’air dans l’air ? Quel gaz permet de faire bruler ? Joseph Priestley

5/ Quel est l’air vital selon LAVOISIER ? C’est le dioxygène.

6/ Quel chimiste Anglais confirme que l’eau n’est pas un élément ? Henry cavendish

7/ Quelle expérience Lavoisier réalise-t-il pour prouver que l’eau est constituée d’oxygène et d’hydrogène ? Il met en contact du dihydrogène et du dioxygène au contact d’une étincelle (créée avec une machine de Wimshusrt). I reproduit ainsi de l’eau liquide qu’il boit.

8/ Comment Lavoisier meurt-il ? Il meurt guillotiné pour en avoir trop fait !

A/ Activité 1 : L’expérience historique d’Antoine Laurent Lavoisier et Priestley (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 ».

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.

B/ Activité 2 : Evolution de la composition de l’atmosphère terrestre (devoir maison)

1/ Il y a 4.5 milliards d’années, quel gaz état présent dans la plus grande proportion ? Comment est-il apparu ? (Utilise le graphe ET le texte)

«La Terre est entourée d’une enveloppe de gaz en mouvement : l’atmosphère. Sa composition et sa structure sont uniques en raison de l’apparition, il y a plus de 3 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, 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 il y a 3,8 milliards d’années : les algues bleues ou

« cyanobactéries » ont commencé à modifier l’atmosphère en consommant le diazote et le dioxyde de carbone et en rejetant du dioxygène. Ce dioxygène apparut dans l’atmosphère il y a deux milliards d’années (1 %). 500 millions d’années plus tard, il était de 3%..

L’atmosphère a atteint sa composition actuelle il y a 400 à 600 millions d’années.

4/ Qu’est ce qui est à l’origine, il y a 3.8 milliards d’années, de l’apparition du dioxygène ? (Utilise le graphe ou/et le texte)

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 : (Utilise le tableau)

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 ? (Utilise l’activité 1)

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.

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.

Description de l’atmosphère terrestre

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..

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 ?

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.

13/ Complète le tableau

C/ Bilan des 3 activités activités

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.

Il existe aussi plein d’autres gaz présents en très faibles proportions : 1% ( Exemples : l’argon, le dihydrogène, le méthane ou le dioxyde de carbone.

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

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

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

1/ Compare la composition de l’air expiré et de l’air inspiré (fig 1)

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 ? (fig 1) et (fig 2) 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. (fig 2)

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 ? (texte) 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.

1/ Où la combustion est-elle la plus vive : dans l’air ou dans le dioxygène pur ? C’est dans le dioxygène que la combustion est la plus vive.

2/ Sur une bouteille de dioxygène, on a le pictogramme : . Explique.

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

3/ Application : Explique alors pourquoi le mistral attise les incendies de forêt dans le var.

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 (SI) : le kilogramme, symbole kg . Instrument de mesure : La balance.

Multiples et sous multiples :

t q kg hg dag g dg cg mg

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

B/ Démarche d’investigation: L’air a-t-il une masse ?

Ce que je pense : R ( /2)

Je pense que

l’air a une masse car il est constitué de molécules qui ont une masse.

Ce que je vais faire : R ( /2)

Je vais

mesurer la masse d’un ballon gonglé et d’un ballon dégonflé d’1 L d’air avec une balance de Robervald ou une balance électronique.

Le matériel dont j’ai besoin est :

Ballon, aiguille à gonfler, eau, bassine, bouteille plastique 1L, balance (Robervald ou électronique)

Le professeur réalise l’expérience proposée. I ( /2)

Schéma LEGENDE de l’expérience :

Phrase de commentaire :

On pèse le ballon gonflé.

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 L Puis on pèse de nouveau le ballon dégonflé.

Ce que j’observe : C ( /2)

Bandes d’endormis ! Je vous ai posé une question : Etes-vous vraiment écrasés par les 280 kg d’air présents dans la salle ?

Ca y est ! Il est devenu fou ! L’air est beaucoup trop léger pour qu’il y ait 280 kg d’air dans la salle !

PPffff… Qu’est-ce qu’il raconte encore.

L’air ne pèse rien !

Les résultats CHIFFRES de l’expérience sont :

Ballon gonflé : 483,2 g

Ballon dégonflé d’un litre d’air : 482,0 g

Ce que je conclus : Réponds, avec des arguments, à la question posée. Es-tu vraiment écrasé par 280 kg d’air ?

1 L d’air pèse donc 1,2 g d’après notre expérience (en fait, en théorie, c’est entre 1,2g et 1,3 g).

L’air pèse donc car il est constitué de molécules qui ont une masse.

La salle de classe fait 3m de haut, 10 m de longueur et 7 m de largeur soit un volume V = 210 m

En litre, cela fait V = 210 000 L , ce qui fait donc une masse de m = 210 000 x 1,2 g = 252 kg d’air.

Incroyable !

B/ Bilan

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

Dans les conditions habituelles de pression et de température :

1 litre d’air pèse environ 1,3 g

La masse d’un litre d’air est beaucoup plus petite que celle 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.

3/

La pression de l’air

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

Volume Capacité

Unité Mètre cube m³ Litre L

Instrument de mesure Eprouvette graduée Eprouvette graduée 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

1m³ = 1 kL 1 L = 1dm³ 1 L = 1000 cm³ 1 cm³ = 1 mL

1m³ = 1000 L = 1000 dm³ 1 L = 1000 mL

B/ TP : la pression de l’air.

On relie l’extrémité de la seringue à un manomètre. Un manomètre est un appareil qui mesure la pression de l’air (ici la pression de l’air enfermé dans la seringue).

1/ En quelle(s) unité(s) est gradué le manomètre ? En bar, et celui de la classe en hPa 2/ Note au repos la valeur lue sur le manomètre : Elle est de 1 bar

3/ Appuie sur le piston et note la valeur lue sur le manomètre : Elle monte à 1,5 bar 4/ Tire sur le piston et note la nouvelle valeur lue : Elle descend à 0,6 bar.

Remplis la seringue de 30 mL d’air et bouche-la DEFINITIVEMENT avec ton pouce.

La pression a (augmenté / diminué). L’air est donc (pesant / compressible / expansible).

Le volume d’air (augmente / diminue)

La quantité d’air a (augmente / diminue / n’a pas changé ).

L’air enfermé (pousse / attire) le doigt.

La pression a (augmenté / diminué). L’air est donc (pesant / compressible / expansible).

Le volume d’air (augmente / diminue).

La quantité d’air a (augmente / diminue /n’a pas changé).

L’air enfermé (pousse / attire) le doigt.

Animation dans le dossier POSTE DE TRAVAIL CommunTravail pression dans une seringue.exe

Expérience

avec le

professeur

 P (= / < / >) Patmosphérique

 Le piston est (immobile / repoussé / attiré).

 Les chocs sont (nombreux / peu nombreux) et les molécules sont (rapides / lentes)

 Le piston est immobile car la pression est (la même / différente) à l’intérieur et à l’extérieur de la seringue

 Le piston est immobile car le nombre de chocs de molécules à l’intérieur est (le même / plus grand / moins grand) qu’à l’extérieur de la seringue.

 P (= / < / >) Patmosphérique

 Lorqu’on (comprime / détend) le gaz :

Le piston est (immobile / repoussé / attiré).

La pression (augmente / diminue)

 le volume de gaz dans la seringue (diminue / augmente).

Les molécules dans la seringue sont (plus / moins) serrées et (plus / moins) rapides.

Le nombre de chocs sur les parois de la seringue (diminue / augmente)

On explique ici pour quoi le gaz est (compressible / expansible).

 P ( / < / >) Patmosphérique

 Lorqu’on (comprime / détend) le gaz :

Le piston est (immobile / repoussé / attiré).

La pression (augmente / diminue)

 le volume de gaz dans la seringue (diminue / augmente).

Les molécules dans la seringue sont (plus / moins) serrées et (plus / moins) rapides.

Le nombre de chocs sur les parois de la seringue (diminue / augmente).

On explique ici pour quoi le gaz est (compressible / expansible).

La pression d’un gaz est due aux chocs des molécules sur les parois.

Que se passe-t-il ? La feuille joue le rôle de bouchon et l’eau ne tombe pas

Expérience :

1/ Prends une éprouvette.

2/Remplis cette éprouvette d’eau à ras bord.

3/ Poser une petite feuille de papier dessus pour épouser la forme (il faut que ce soit hermétique).

4/ Retourne l’éprouvette en maintenant la feuille de papier avec la paume de la main.

5/ Retire ta main.

Complète le texte :

2 forces sont en duel : la force de l’eau(poids) et la force de l’air (pression).

La force la plus forte est la force de l’air car la feuille retient l’eau

Indique les températures des différentes bassines et l’air ambiant et complète le tableau ci-dessous : Température eau chaude : 80 °C Température eau froide : 2 °C

Observation pour la bassine d’eau chaude : Le paquet de chips se gonfle et devient bedonnant.

Observation pour la bassine d’eau froide : Le paquet de chips se gonfle et devient bedonnant.

Interprétation :

 La pression est plus (grande / petite) qu’à température ambiante.

 Cela signifie que les molécules sont plus (rapides / lentes) et que les chocs sur les parois intérieures du sac sont plus (grandes / petites)

 C’est pour cela que le volume du sac (diminue / augmente) par rapport à la température ambiante.

Interprétation :

 La pression est plus (grande / petite) qu’à température ambiante.

 Cela signifie que les molécules sont plus (rapides / lente) et que les chocs sur les parois intérieures du sac sont plus (grandes / petites)

 C’est pour cela que le volume du sac (diminue / augmente) par rapport à la température ambiante.

Conclusion : La pression augmente si la température (augmente / diminue)

Explication avec les molécules :

Les molécules d’air situées sous la feuille appuient dessus plus fortement que les molécules d’eau.

Expérience :

1/ Prends un petit sac plastique rempli d’air et hermétique.

Ne le casse pas.

2/ Plonge ce sac dans de l’eau chaude 3/ Plonge ce sac dans de l’eau froide.

T°

ambiante : 20 °C

Pourquoi les paquets de chips se gonflent-ils quand on prend de l’altitude ?

Expérience :

1/ Gonfle la chambre à air n°1 de vélo avec la pompe.

2/ Gonfle la chambre à air n°2 de vélo avec la pompe.

3/ Pour la chambre à air n°1, appuie sur la valve lorsqu’elle est bien gonflée.

Complète les phrases :

 La chambre à air n°2 est crevée

 Le volume de la chambre à air n°1 (augmente / diminue) quand on gonfle.

 Lorsqu’on gonfle, le nombre de molécules d’air (augmente / diminue) dans la chambre. En conséquence, le nombre de chocs à l’intérieur de la chambre (augmente / diminue) .

 On en déduit que la pression à l’intérieur de la chambre n°1 (augmente / diminue). La pression dans la chambre n°2 (augmente / diminue / reste la même) Aller sur

l’animation :

« pompe à vélo »

La pression à cette altitude est de 1000 hPa La pression à cette altitude est de 800 hPa Plus l’altitude est grande, plus la pression est (faible / grande).

Il y a (moins / plus) d’air en altitude. C’est pour cela qu’on est plus essoufflé lors d’un effort.

Le nombre de molécules d’air dans le paquet de chips reste la même, quelque soit l’altitude car le paquet de chips est (hermétique / ouvert). Le nombre de chocs à l’intérieur du paquet (change / ne change pas) avec l’altitude.

Représente avec des flèches de différentes longueurs la pression à l’intérieur ET à l’extérieur du paquet.

Pourquoi une bouteille d’eau à moitié remplie s’écrase-t-elle lorsque qu’on redescend en altitude

Expérience historique :

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.

En météorologie, on analyse souvent la pression atmosphérique afin de connaître le temps qu’il va faire.

1/ Tape « METEOCIEL » dans google et va sur le site : www.meteociel.fr

2/ Sur la gauche, il y a une grande rubrique « TEMPS REEL » : Clique sur « PRESSION » : Il apparait une carte ressemblant à celle-ci-dessous :

Les chiffres indiqués (1016, 1020 etc)

correspondent à la pression atmosphérique en hectopascal.

1 hPa = 100 Pa ; 1 bar = 1000 hPa = 100 000 Pa On considère, en météorologie, que la pression de

1013 hPa

 Si la pression est au dessus de 1013 hPa : il y a un anticyclone . Dans 80 % des cas, il fait BEAU TEMPS.

Si la pression est au-dessous de 1013 hPa : il y a un dépression . Dans 80 % des cas, il fait MAUVAIS TEMPS.

EXERCICE :

1/ Trouve une zone dépressionnaire (pression < 1013 hPa) et indique la météo qu’il y fait. (tu peux cliquer aussi sur « nébulosité » et/ou sur

« ensoleillement » et/ou « observation » (attention, regarde la date d’édition de la carte).

………

……….

2/ Trouve une zone anticyclonique (pression > 1013 hPa) et indique la météo qu’il y fait. (tu peux cliquer aussi sur « nébulosité » et/ou sur

« ensoleillement » et/ou « observation » (attention, regarde la date d’édition de la

Baromètre : appareil de mesure de pression atmosphérique

C/ Bilan

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 (XVII^ème), 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 »

ANTICYCLONE

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, P_atm = 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

P = Patm P > Patm P < Patm

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