Composition et masse volumique de l'air

Composition et masse volumique de l'air

L’air est un mélange dont Antoine de Lavoisier (1743-1794) a été le premier à établir la composition en 1776.

Partie 1 : Composition de l'air

Partie 2 : Masse volumique de l'air

BONUS - Réalité augmentée

S. Moreau

Partie 1 : Composition de l'air

J’ai pris un matras (récipient A sur la gravure ci-dessous) dont le col était très long. Je l’ai courbé de manière qu’il pût être placé dans un fourneau, tandis que l’extrémité de son col irait s’engager sous la cloche, placée dans un bain de mercure. J’ai introduit dans ce matras [du] mercure très pur. [Puis] le mercure fut échauffé presqu’au degré nécessaire pour le faire bouillir. Le second jour, j’ai commencé à voir nager sur la surface du mercure de petites parcelles rouges, qui, pendant quatre ou cinq jours ont augmenté en nombre et en volume ; après quoi elles ont cessé de grossir et sont restées absolument dans le même état. Au bout de douze jours, [...] la calcination (réaction) du mercure ne faisait plus aucun progrès [...]. Le volume de l’air contenu tant dans le matras que dans son col et sous la partie vide de la cloche […] était avant l’opération de 50 pouces cubiques environ. Lorsque l’opération a été finie, ce même volume […] ne s’est plus trouvé que de 42 pouces cubiques.

L’objectif est ici de retrouver la composition de l’air en utilisant les résultats de l’expérience de Lavoisier. Les documents ci-contre sont extraits du traité élémentaire de chimie de 1789.

Question 1

Donner le nom du gaz nécessaire à la respiration et à la combustion qui réagit au cours de l’expérience. Donner enfin le nom du gaz majoritaire dans l'air.

Complément

Coup de pouce

Question 2

En utilisant les résultats de Lavoisier donnés dans le texte ci-contre, déterminer, en pourcentage, la composition volumique de l’air.

Coup de pouce

Question 3

Partie 1 : Composition de l'air

Question 2

J’ai pris un matras (récipient A sur la gravure ci-dessous) dont le col était très long. Je l’ai courbé de manière qu’il pût être placé dans un fourneau, tandis que l’extrémité de son col irait s’engager sous la cloche, placée dans un bain de mercure. J’ai introduit dans ce matras [du] mercure très pur. [Puis] le mercure fut échauffé presqu’au degré nécessaire pour le faire bouillir. Le second jour, j’ai commencé à voir nager sur la surface du mercure de petites parcelles rouges, qui, pendant quatre ou cinq jours ont augmenté en nombre et en volume ; après quoi elles ont cessé de grossir et sont restées absolument dans le même état. Au bout de douze jours, [...] la calcination (réaction) du mercure ne faisait plus aucun progrès [...]. Le volume de l’air contenu tant dans le matras que dans son col et sous la partie vide de la cloche […] était avant l’opération de 50 pouces cubiques environ. Lorsque l’opération a été finie, ce même volume […] ne s’est plus trouvé que de 42 pouces cubiques.

On donne ici le volume d'air au début de l'expérience.

On donne ici le volume de gaz à la fin de l'expérience ; il ne reste alors plus que du diazote. C'est donc le volume de diazote présent également dans l'air au début de l'expérience.

Si on soustrait ces deux valeurs, on obtient le volume de dioxygène présent dans l'air au début de l'expérience.

Partie 1 : Composition de l'air

J’ai pris un matras (récipient A sur la gravure ci-dessous) dont le col était très long. Je l’ai courbé de manière qu’il pût être placé dans un fourneau, tandis que l’extrémité de son col irait s’engager sous la cloche, placée dans un bain de mercure. J’ai introduit dans ce matras [du] mercure très pur. [Puis] le mercure fut échauffé presqu’au degré nécessaire pour le faire bouillir. Le second jour, j’ai commencé à voir nager sur la surface du mercure de petites parcelles rouges, qui, pendant quatre ou cinq jours ont augmenté en nombre et en volume ; après quoi elles ont cessé de grossir et sont restées absolument dans le même état. Au bout de douze jours, [...] la calcination (réaction) du mercure ne faisait plus aucun progrès [...]. Le volume de l’air contenu tant dans le matras que dans son col et sous la partie vide de la cloche […] était avant l’opération de 50 pouces cubiques environ. Lorsque l’opération a été finie, ce même volume […] ne s’est plus trouvé que de 42 pouces cubiques.

Question 3

La composition de l’air sec a été, pour les besoins de la météorologie, arrêtée internationalement aux valeurs suivantes : - diazote (N2) 78,09 % ; - dioxygène (O2) 20,95 % ; - … Comment expliquer la différence entre ces valeurs et celles trouvées avec l’expérience de Lavoisier ? Proposer au moins une hypothèse.

Le début de la vidéo vous rappelle le nom des deux principaux gaz qui composent l''air.

Partie 2 : Masse volumique de l'air

Question 1

Les photos ci-contre sont issues d'une vidéo qui présente des mesures réalisées pour déterminer la masse volumique de l'air. Noter la valeur des mesures effectuées puis à l’aide de celles-ci, calculer la masse volumique de l’air en g/L dans les conditions de l'expérience.

Mesure de la pression de l'air dans le ballon (la pression est en hPa pour le cercle central).

Mesure de la température dans le laboratoire.

Pesée du ballon au début de l'expérience ; c'est-à-dire avant d'être dégonflé dans la bouteille.

Schéma et photo du dispositif. Au début de l'expérience, la bouteille de 1,5 L est pleine d'eau. A la fin, elle est pleine d'air.

Pesée du ballon à la fin de l'expérience.

Question 2 (facultative)

Correction

Partie 2 : Masse volumique de l'air

Question 1

Partie 2 : Masse volumique de l'air

Question facultative

Question 2

• 1,292 g/L à 0°C

• 1,225 g/L à 15°C

• 1,204 g/L à 20°C

• 1,184 g/L à 25°C

On donne ci-contre la masse volumique de l'air à la pression de 1013,25 hPa pour différentes températures.Comment évolue la masse volumique de l'air quand la température augmente ?La valeur trouvée à la question 1 est-elle compatible avec ces données ?

BONUS - FOXAR

Regarder la vidéo ci-dessous qui illustre l'application foxar et le module "composition de l'air". Bonne découverte ! Vous pouvez télécharger cette application mais de nombreux modules sont payants !

Il se produit dans le matras une réaction chimique au cours de laquelle le dioxygène gazeux (O2) réagit avec le mercure liquide (Hg) pour former de l’oxyde de mercure solide (HgO). L’oxyde de mercure correspond aux petites parcelles rouges. Le pouce cubique est une unité de volume. Pour information, 1 pouce cubique correspond environ à 16 cm3.