L’air nous entoure en permanence, mais on ne le voit pas : de quoi est-il vraiment composé ? Et comment peut-on prouver qu’il possède, comme toute matière, un volume et une masse ?
I. La composition de l’air
Une expérience simple permet de mettre en évidence la composition de l’air : on place une bougie allumée sous un tube retourné, l’ensemble étant plongé dans une cuve remplie d’eau. La bougie s’éteint après quelques instants, et l’eau monte dans le tube pour occuper une partie du volume d’air initial.
Cette expérience montre que l’air contient un gaz qui est consommé par la combustion de la bougie : le dioxygène (O2). Le volume d’eau qui monte dans le tube correspond au volume de dioxygène consommé, soit environ 21 % du volume d’air initial.
L’air est donc composé d’environ 21 % de dioxygène (O2), 78 % de diazote (N2), et 1 % d’autres gaz (dioxyde de carbone, vapeur d’eau, gaz rares…).
II. Les propriétés physiques de l’air
L’air n’a pas de volume propre : il occupe tout le volume du récipient qui le contient. C’est un gaz compressible et expansible : on peut réduire son volume en le comprimant, ou l’augmenter en le laissant se détendre.
Une seringue fermée et remplie d’air permet de le vérifier : en poussant le piston, on comprime l’air (le volume diminue, la pression augmente) ; en tirant le piston, on le détend (le volume augmente, la pression diminue).
Le modèle particulaire explique ce comportement : lors de la compression, les particules qui constituent l’air se rapprochent les unes des autres, sans que leur nombre, leur taille ou leur forme ne change.
III. La masse de l’air
Contrairement à une idée reçue, l’air n’est pas immatériel : il possède une masse. On peut le mettre en évidence en pesant un ballon vide puis le même ballon gonflé : le ballon gonflé est plus lourd, car il contient une plus grande quantité d’air.
Dans les conditions habituelles (pression de 1013 hPa, température de 25 °C), un litre d’air a une masse d’environ 1,3 g.
Cette propriété explique pourquoi une bouteille de plongée de 20 litres, remplie d’air fortement comprimé, peut fournir plusieurs centaines de litres d’air respirable une fois la pression revenue à la normale.
IV. Synthèse
L’air qui nous entoure est un mélange homogène de gaz (environ 21 % de dioxygène, 78 % de diazote, 1 % d’autres gaz). C’est un gaz sans volume propre, compressible et expansible, dont le comportement s’explique par le modèle particulaire. Enfin, comme toute matière, l’air possède une masse : environ 1,3 g par litre dans les conditions habituelles.
Exercice d’application
Exercice 1. Décris l’expérience de la bougie et explique ce qu’elle permet de mettre en évidence.
Exercice 2. Donne la composition approximative de l’air (les trois constituants principaux et leurs pourcentages).
Exercice 3. Explique, à l’aide du modèle particulaire, ce qui se passe quand on comprime de l’air dans une seringue fermée.
Exercice 4. Un ballon vide a une masse de 12,0 g. Une fois gonflé avec 2 litres d’air, quelle est sa masse totale ? (masse d’un litre d’air : 1,3 g)
Exercice 5. Pourquoi une bouteille de plongée de 20 litres peut-elle fournir beaucoup plus de 20 litres d’air respirable ?
Corrigés
Corrigé 1. On place une bougie allumée sous un tube retourné, l’ensemble plongé dans une cuve d’eau. La bougie s’éteint et l’eau monte dans le tube : cela met en évidence la consommation du dioxygène de l’air par la combustion.
Corrigé 2. Environ 21 % de dioxygène (O2), 78 % de diazote (N2), 1 % d’autres gaz.
Corrigé 3. Les particules de l’air se rapprochent les unes des autres (le volume diminue), sans que leur nombre, leur taille ou leur forme ne change.
Corrigé 4. Masse de l’air ajouté : 2 × 1,3 = 2,6 g. Masse totale : 12,0 + 2,6 = 14,6 g.
Corrigé 5. Parce que l’air y est fortement comprimé : une fois libéré à pression normale, il occupe un volume bien plus grand que les 20 litres de la bouteille.
