À l'état de gaz, la matière est non palpable. Il peut sembler difficile d'étudier les caractéristiques de cet état de la matière. En fait, on utilise une nouvelle grandeur : la pression. Les gaz sont présents tout autour de nous, notamment dans l'air, mais aussi dans les liquides où ils sont dissous.
Les propriétés des gaz
La pression
Les particules (atomes ou molécules) qui composent un gaz se déplacent sans cesse de manière désordonnée.
Mouvement des particules d'un gaz dans une enceinte
Ces particules entrent donc en collision avec les parois du récipient qui le contient, générant une force qui tend à pousser ces parois.
Pression
La pression d'un gaz, notée p, correspond à la valeur de la force de ces chocs par unité de surface. Ainsi, la pression augmente avec l'intensité des chocs sur les parois. Elle s'exprime en Pascals (Pa).
Si la pression d'un gaz à l'intérieur d'un récipient passe de 100 000 Pa à 200 000 Pa, c'est que l'intensité des chocs sur les parois a doublé.
La pression s'exprime en Pascal (Pa), mais on utilise souvent d'autres unités :
- Un de ses multiples, l'hectopascal (hPa) : 1 hPa = 100 Pa
- Le bar (bar) : 1 bar = 100\ 000 Pa
La pression de l'air dans une bouteille de plongée est de 21 000 000 Pa, soit 210 000 hPa ou encore 210 bar.
Pour mesurer la pression d'un gaz, on utilise un appareil appelé manomètre.
La compressibilité et l'expansibilité des gaz
Un gaz est compressible, car on peut diminuer le volume qu'il occupe. Ainsi, le nombre de chocs sur la surface sera plus important, c'est pourquoi sa pression augmente.
Lorsqu'on pousse le piston d'une seringue reliée à un manomètre, on le comprime.
Compressibilité d'un gaz
Un gaz est expansible, car on peut augmenter le volume qu'il occupe. Ainsi, le nombre de chocs sur la surface sera moins important, c'est pourquoi sa pression diminue. On dit qu'il se détend.
Lorsqu'on tire le piston d'une seringue reliée à un manomètre, on le détend.
Expansibilité d'un gaz
La solubilité des gaz dans l'eau
Comme les solides, les gaz peuvent se dissoudre dans les liquides. On dit que le gaz est soluble dans le liquide.
Le dioxyde de carbone présent dans l'air se dissout dans les eaux stagnantes.
Solubilité et solution saturée
La solubilité d'un gaz est le volume de ce gaz, exprimé en litres (L), que l'on peut dissoudre dans un litre de liquide. Elle augmente avec la pression. La solution obtenue est alors saturée.
À 20°C et sous une pression de 1 bar, il est possible de dissoudre au maximum un litre de dioxyde de carbone gazeux dans un litre d'eau. La solubilité du dioxyde de carbone dans l'eau est donc de 1 L par litre d'eau.
Lorsqu'on ouvre une bouteille pressurisée, la pression diminue rapidement. La solubilité des gaz dissous diminue et les gaz se dégagent sous forme de bulles.
Dans les bouteilles de sodas, le dioxyde de carbone est dissous sous une pression importante, ce qui fait que beaucoup de bulles se forment à l'ouverture des bouteilles.
L'air
La composition de l'air
L'air est un mélange de gaz. Il est composé :
- De diazote (78 % en volume)
- De dioxygène (21 % en volume)
- D'autres gaz comme du dioxyde de carbone ou de l'argon
Pour simplifier, on peut retenir que l'air est composé d'environ \dfrac{4}{5} de diazote et de \dfrac{1}{5} de dioxygène. Ainsi, tous les échantillons d'air contiennent environ 4 fois plus de diazote que de dioxygène.
Si un récipient contient 10 mL de dioxygène, il contient à peu près 4 fois plus de diazote, soit 40 mL.
Il ne faut pas confondre un gaz et une fumée. Une fumée est constituée de microparticules solides.
Le dioxygène est le gaz indispensable à la vie. Le manque de dioxygène conduit à l'asphyxie.
La pression de l'air
L'air est un mélange de gaz. Donc, comme tous les gaz, il est compressible et expansible et possède une pression.
Pression atmosphérique
La pression atmosphérique est la pression de l'air composant l'atmosphère. Elle se mesure avec un baromètre et vaut 1013 hPa (soit environ 1 bar) à l'altitude 0 (soit au niveau moyen de la mer).
La pression diminue lorsque l'altitude augmente et varie légèrement avec le temps qu'il fait.
Lorsque le temps est couvert ou pluvieux, la pression atmosphérique est inférieure à 1013 hPa (on parle de zone de dépression).
Lorsqu'il fait beau, la pression atmosphérique est supérieure à 1013 hPa (on parle de zone de haute pression ou anticyclone).
La masse de l'air
Comme tous les gaz, l'air possède une masse.
Mesurer la masse de l'air
Pour mesurer la masse d'un litre d'air, on utilise la méthode dite "par déplacement d'eau".
1. Peser un ballon gonflé.
2. Laisser échapper un litre d'air du ballon (mesuré avec une éprouvette).
3. Peser à nouveau le ballon.
4. La masse d'un litre d'air est alors égale à la différence des deux masses mesurées.
- La pesée du ballon gonflé donne : m_1 = 252{,}7 g
- La pesée du ballon dégonflé de 1 L donne : m_2 = 251{,}4 g
La masse d'un litre d'air est donc égale à :
m = m_1 -m_2
m = 252{,}7 - 251{,}4
m = 1{,}3 g
À température et pression ambiantes, la masse d'un litre d'air est d'environ 1,3 g.
La masse volumique de l'air
C'est la masse volumique de l'air qui caractérise la masse d'un litre d'air. Ainsi, à température et pression ambiantes, la masse volumique de l'air est :
\rho_{air} = 1{,}3 g/L
Masse volumique de l'air
La masse volumique de l'air, notée \rho_{air}, est le rapport de la masse d'un échantillon d'air sur son volume, généralement exprimée en grammes par litre (g/L) :
\rho_{air} = \dfrac{m_{air} }{V_{air}}
La masse volumique de l'air peut donc être déterminée par la mesure de la masse et du volume d'un échantillon d'air.
La mesure de la masse d'un échantillon de 253 mL d'air donne 0,33 g.
D'où :
\rho_{air} = \dfrac{m_{air} }{V_{air}}
\rho_{air} = \dfrac{0{,}33}{0{,}253}
\rho_{air} = 1{,}3 g/L
La masse volumique permet aussi de calculer :
- la masse d'un échantillon d'air à partir de son volume : m_{air} = \rho_{air} \times V_{air}
- le volume d'un échantillon d'air à partir de sa masse : V_{air} = \dfrac{m_{air} }{\rho_{air} }
La masse de 1,6 L d'air est :
m_{air} = \rho_{air} \times V_{air}
m_{air} = 1{,}3 \times 1{,}6
m_{air} = 2{,}1 g
Le volume occupé par 1,0 g d'air est :
V_{air} = \dfrac{m_{air} }{\rho_{air} }
V_{air} = \dfrac{1{,}0}{1{,}3}
V_{air} = 0{,}77 L