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L’air : composition, molécules et dissolution des gaz
L’air, un mélange de molécules (diazote N₂, dioxygène O₂, atomes d’argon, dioxyde de carbone CO₂, vapeur d’eau H₂O) et son modèle ; mesurer la masse d’un litre d’air ; les gaz dissous dans l’eau, la pression et la vie aquatique ; les polluants de l’air, leurs sources, leurs effets et l’indice ATMO
À propos de cette page
L’air, un mélange de molécules
Rappel. En 6e, tu as vu que l’air est un mélange de gaz : environ 78 % de diazote, 21 % de dioxygène et 1 % d’autres gaz (voir La composition de l’air) ; en 5e, que la matière est faite d’atomes et de molécules (voir Atomes et molécules). En 4e, on décrit l’air à l’échelle des molécules.
• Dans un gaz, les particules sont très éloignées les unes des autres. À la même température et à la même pression, un même volume de gaz contient à peu près le même nombre de particules, quel que soit le gaz (on l’admet : c’est la loi d’Avogadro, revue au lycée). Les pourcentages en volume de l’air sont donc aussi des pourcentages en nombre de particules.
• Sur 100 particules d’air sec, environ 78 sont des molécules de diazote, 21 des molécules de dioxygène et 1 un atome d’argon ; le dioxyde de carbone ne fait qu’environ 4 particules sur 10 000 (0,04 %).
• Nombre de molécules d’un gaz dans un échantillon = nombre de particules × pourcentage ÷ 100.
• Pour modéliser l’air, on dessine environ 4 molécules de diazote pour 1 molécule de dioxygène (78 ÷ 21 ≈ 3,7), très éloignées et en désordre. Un vrai litre d’air contient environ 25 000 milliards de milliards de molécules (2,5 × 10²²) : un dessin n’en montre que quelques-unes, il garde seulement les proportions.
| Gaz de l’air | Particule | Formule | Sur 100 particules d’air sec |
|---|---|---|---|
| Diazote | molécule (2 atomes d’azote) | N₂ | environ 78 |
| Dioxygène | molécule (2 atomes d’oxygène) | O₂ | environ 21 |
| Argon | atome isolé | Ar | environ 1 |
| Dioxyde de carbone | molécule (1 atome C, 2 atomes O) | CO₂ | 0,04 (4 sur 10 000) |
| Vapeur d’eau | molécule (2 atomes H, 1 atome O) | H₂O | variable (air humide) |
Modèle simplifié de l’air : 16 molécules de diazote pour 4 molécules de dioxygène. L’argon (environ 1 particule sur 100) n’apparaît pas sur un si petit dessin.
Compter des molécules. Un échantillon de 700 particules d’air sec contient environ 700 × 78 ÷ 100 = 546 molécules de diazote, 700 × 21 ÷ 100 = 147 molécules de dioxygène et 700 × 1 ÷ 100 = 7 atomes d’argon.
Lire le dessin. Le dessin ci-dessus montre 16 molécules N₂ et 4 molécules O₂ : 16 ÷ 4 = 4 molécules de diazote pour une de dioxygène, c’est bien le modèle de l’air. Il contient 16 × 2 = 32 atomes d’azote et 4 × 2 = 8 atomes d’oxygène, pour seulement 20 molécules.
Réflexe — pour compter, je multiplie le nombre de particules par le pourcentage du gaz et je divise par 100 ; pour juger un dessin d’air, je vérifie les sortes de particules (des molécules N₂ et O₂) et la proportion (environ 4 pour 1).
Attention — dans l’air, l’azote et l’oxygène ne sont pas des atomes seuls : ils sont liés deux par deux en molécules N₂ et O₂. Et ne confonds pas molécules et atomes : 4 molécules de dioxygène contiennent 8 atomes d’oxygène.
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Mesurer la masse d’un litre d’air
Rappel. En 6e, tu as appris que l’air a une masse, environ 1,2 g par litre. En 4e, on la mesure et on l’explique avec les molécules.
• Protocole (voir le schéma) : 1. je pèse une bouteille rigide munie d’une valve : masse m₁ ; 2. j’y pompe de l’air et je la repèse : masse m₂ ; la masse d’air ajouté vaut m₂ − m₁ ; 3. je laisse sortir cet air sous l’eau, dans un récipient gradué retourné et rempli d’eau, jusqu’à ce qu’il ne sorte plus de bulles : l’air chasse l’eau et je lis son volume V (déplacement d’eau) ; 4. masse d’un litre d’air = (m₂ − m₁) ÷ V, avec V en litres.
• Ce résultat, en g/L, est la masse volumique de l’air (voir Masse volumique). À 20 °C, au niveau de la mer, 1 L d’air a une masse d’environ 1,2 g (1,2 g/L = 1,2 kg/m³) : plus de 800 fois moins que l’eau (1 000 g/L).
• Elle dépend un peu de la température : environ 1,29 g/L à 0 °C, car dans l’air froid les molécules sont un peu plus serrées.
La mesure de la masse d’un litre d’air : deux pesées, puis le volume de l’air ajouté, recueilli sous l’eau.
Une mesure. m₁ = 312,4 g ; m₂ = 315,0 g ; l’air ajouté chasse 2,2 L d’eau. Masse ajoutée : 315,0 − 312,4 = 2,6 g ; masse d’un litre : 2,6 ÷ 2,2 ≈ 1,18 g/L, proche de 1,2 g/L.
L’air d’un gymnase. 40 m × 20 m × 8 m = 6 400 m³ ; 6 400 × 1,2 = 7 680 kg : près de 8 tonnes d’air.
Réflexe — je fais la différence des deux pesées, je convertis le volume en litres, puis je divise : masse d’un litre = (m₂ − m₁) ÷ V.
Attention — un ballon de baudruche ne convient pas : en grossissant, il repousse l’air autour de lui, et la balance ne montre presque aucune différence. Et une bouteille « vide » et ouverte n’est pas vide : elle est pleine d’air ; on ne mesure que l’air ajouté.
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Les gaz dissous dans l’eau
Rappel. En 5e, tu as vu que les gaz se dissolvent dans l’eau et qu’ils y sont moins solubles quand l’eau est chaude (voir Corps purs et mélanges). En 4e, on relie cette dissolution à la santé et à l’environnement.
• Les gaz ne se dissolvent pas tous autant : le dioxygène est environ deux fois plus soluble que le diazote, et le dioxyde de carbone beaucoup plus encore. L’air dissous n’a donc pas la composition de l’air : il contient environ 35 % de dioxygène (au lieu de 21 %).
• On mesure le dioxygène dissous par sa teneur, en milligrammes par litre (mg/L) : à 20 °C, 1 L d’eau douce au contact de l’air en contient au plus environ 9 mg. Masse dissoute = teneur × volume d’eau.
• La vie aquatique. Les poissons respirent le dioxygène dissous grâce à leurs branchies. En eau chaude, il leur faut au moins environ 5,5 mg/L (davantage en eau froide). La teneur baisse quand des rejets de matières organiques (eaux usées) nourrissent des bactéries qui consomment le dioxygène ; elle augmente quand l’eau est brassée avec l’air et quand les plantes aquatiques font la photosynthèse, le jour.
• La pression. Un gaz comprimé, dont les molécules sont plus serrées, a une pression plus grande. Plus la pression d’un gaz au-dessus de l’eau est grande, plus il s’en dissout : à température fixée, la masse dissoute est proportionnelle à la pression (loi de Henry, revue au lycée). Si la pression baisse, le gaz dissous en trop ressort en bulles.
• Boissons gazeuses : on y dissout du dioxyde de carbone sous forte pression, puis on ferme ; à l’ouverture, la pression baisse et les bulles apparaissent. Plongée : sous l’eau, la pression augmente d’environ 1 bar tous les 10 m (environ 1 bar en surface) ; l’air respiré, comprimé, dissout davantage de diazote dans le sang ; si le plongeur remonte trop vite, ce diazote forme des bulles : c’est l’accident de décompression. Les paliers laissent le diazote ressortir lentement.
• L’océan dissout plus d’un quart du dioxyde de carbone rejeté par les activités humaines (environ 29 % en 2024) : l’eau de mer devient plus acide, ce qui gêne les coraux et les coquillages.
Un abreuvoir. 120 L d’eau à 20 °C, au contact de l’air, contiennent au plus 120 × 9 = 1 080 mg, soit 1,08 g de dioxygène dissous.
Une rivière en été. On y mesure 4 mg/L de dioxygène dissous : moins que 5,5 mg/L, les poissons en manquent.
La pression. Sous une pression de 1 bar de dioxyde de carbone, 1 L d’eau à 20 °C dissout environ 1,7 g de ce gaz ; sous 3 bars, environ 3 × 1,7 = 5,1 g. À 20 m de profondeur, la pression vaut environ 1 + 2 = 3 bars.
Réflexe — masse dissoute = teneur × volume ; plus de pression → plus de gaz dissous (proportionnel) ; la pression baisse → des bulles.
Attention — les poissons ne prennent pas l’oxygène des molécules d’eau H₂O : ils respirent le dioxygène O₂ dissous. Et un gaz dissous n’a pas disparu : il est toujours là, invisible, entre les molécules d’eau.
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La pollution de l’air
• Les principaux polluants sont dans le tableau. En France, la pollution aux particules PM2,5 est jugée responsable d’environ 40 000 décès par an (Santé publique France, années 2016 à 2019). Un cheveu mesure environ 70 µm de diamètre : une particule PM2,5 est au moins 28 fois plus fine.
• Surveiller et informer. Des stations de mesure, tenues par des associations agréées (Airparif en Île-de-France, par exemple), suivent les polluants. L’indice ATMO (depuis 2021) résume la qualité de l’air du jour en 6 classes : bon, moyen, dégradé, mauvais, très mauvais, extrêmement mauvais. On calcule un sous-indice pour 5 polluants (PM2,5, PM10, NO₂, O₃, SO₂) : l’indice du jour est le sous-indice le plus dégradé.
• Repères de l’OMS (valeurs guides de 2021), en µg/m³ : PM2,5 : 5 en moyenne sur l’année, 15 sur 24 h ; PM10 : 15 et 45 ; NO₂ : 10 et 25.
• Réduire la pollution : moins de trajets en voiture, des appareils de chauffage au bois performants, des filtres sur les cheminées d’usines, des carburants sans soufre.
| Polluant | Formule ou taille | Principales sources | Effets |
|---|---|---|---|
| Particules fines | PM10 : moins de 10 µm ; PM2,5 : moins de 2,5 µm | chauffage au bois (le chauffage des bâtiments, surtout au bois, rejette environ 70 % des PM2,5 en France en 2022), trafic routier, industrie | pénètrent loin dans les poumons : maladies respiratoires et du cœur |
| Dioxyde d’azote | NO₂ | transports, surtout le trafic routier (près de la moitié des oxydes d’azote en 2022) | irrite les bronches, aggrave l’asthme |
| Ozone | O₃ | pas rejeté : il se forme dans l’air sous l’effet du soleil, à partir des oxydes d’azote et d’autres gaz (pics l’été) | irrite les yeux et les bronches |
| Dioxyde de soufre | SO₂ | industrie (combustion de charbon ou de fioul qui contient du soufre) | irrite les bronches ; pluies acides |
| Monoxyde de carbone | CO | combustions incomplètes (chauffage mal réglé, moteurs) | toxique et sans odeur : empêche le sang de transporter le dioxygène |
Une masse de polluant. Une salle de 180 m³ dont l’air contient 40 µg/m³ de PM10 renferme 40 × 180 = 7 200 µg, soit 7,2 mg de particules.
L’indice du jour. Sous-indices : PM2,5 moyen, PM10 moyen, NO₂ dégradé, O₃ bon, SO₂ bon. Le plus dégradé est celui du NO₂ : l’indice ATMO du jour est « dégradé ».
Une formule. NO₂ désigne une molécule faite d’un atome d’azote et de deux atomes d’oxygène (voir Formules chimiques).
Réflexe — masse de polluant = concentration × volume (µg/m³ × m³ = µg) ; pour l’indice ATMO, je garde le sous-indice le plus dégradé, jamais la moyenne.
Attention — ne confonds pas polluant et gaz à effet de serre (vus en 6e) : le dioxyde de carbone n’est pas toxique aux teneurs de l’air, mais il réchauffe le climat ; certains gaz, comme l’ozone, sont les deux. Et l’ozone n’est utile que très haut dans l’atmosphère, où il filtre les rayons ultraviolets du Soleil ; près du sol, c’est un polluant.
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Pour aller plus loin
Revoir. La composition de l’air en pourcentages, les diagrammes et les gaz à effet de serre : La composition de l’air (6e). Atomes, molécules et modèles : Atomes et molécules (5e). La solubilité : Corps purs et mélanges (5e).
Dans les autres chapitres de 4e. La masse volumique et ses unités : Masse volumique. Lire une formule comme NO₂ ou SO₂ : Formules chimiques. Les tests du dioxyde de carbone (eau de chaux) et du dioxygène : Transformation chimique. Le dioxygène des combustions et le monoxyde de carbone : Combustions.
Se verra en 3e — l’acidité. Le pH mesure l’acidité d’une eau : il baisse quand l’eau de mer dissout du dioxyde de carbone.
- L’air est un mélange de particules : molécules N₂ (diazote) et O₂ (dioxygène), atomes d’argon Ar, un peu de CO₂ et de H₂O. Sur 100 particules d’air sec : environ 78 N₂, 21 O₂, 1 Ar ; modèle simplifié : 4 N₂ pour 1 O₂.
- Nombre de molécules d’un gaz = nombre de particules × pourcentage ÷ 100.
- Masse d’un litre d’air = (m₂ − m₁) ÷ V : deux pesées d’une bouteille rigide, avant et après avoir pompé, et le volume de l’air ajouté mesuré par déplacement d’eau. À 20 °C : environ 1,2 g/L.
- L’eau contient de l’air dissous, plus riche en dioxygène (environ 35 %) ; les poissons respirent le dioxygène dissous (en mg/L). Plus la pression d’un gaz est grande, plus il se dissout ; si elle baisse, il ressort en bulles.
- Polluants : particules PM10 et PM2,5, NO₂, O₃, SO₂, CO, mesurés en µg/m³ ; masse = concentration × volume ; indice ATMO = sous-indice le plus dégradé.
Questions fréquentes
De quelles particules l’air est-il fait ?
Surtout de molécules de diazote N₂ et de dioxygène O₂, avec un peu d’atomes d’argon Ar, de molécules de dioxyde de carbone CO₂ et de vapeur d’eau H₂O. Sur 100 particules d’air sec, environ 78 sont des molécules de diazote, 21 des molécules de dioxygène et 1 un atome d’argon.
Comment dessiner un modèle de l’air ?
On dessine des molécules très éloignées et en désordre : environ 4 molécules de diazote (deux boules bleues liées) pour 1 molécule de dioxygène (deux boules rouges liées). Ce n’est qu’un modèle : un vrai litre d’air contient environ 2,5 × 10²² molécules.
Comment mesurer la masse d’un litre d’air ?
On pèse une bouteille rigide, on y pompe de l’air et on la repèse : la différence est la masse de l’air ajouté. On recueille cet air sous l’eau dans un récipient gradué retourné pour lire son volume. Masse d’un litre = masse ajoutée ÷ volume en litres : environ 1,2 g/L à 20 °C.
Pourquoi une boisson gazeuse fait-elle des bulles quand on l’ouvre ?
Le dioxyde de carbone y a été dissous sous forte pression. À l’ouverture, la pression au-dessus du liquide baisse : la quantité de gaz qui peut rester dissoute diminue, et le gaz en trop ressort en bulles.
Quels sont les principaux polluants de l’air ?
Les particules fines (PM10 et PM2,5, surtout dues au chauffage au bois et au trafic), le dioxyde d’azote NO₂ (trafic routier), l’ozone O₃ (formé sous l’effet du soleil), le dioxyde de soufre SO₂ (industrie) et le monoxyde de carbone CO (combustions incomplètes). L’indice ATMO résume chaque jour la qualité de l’air.
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