Tu ne le vois pas, tu ne le sens pas, et pourtant tu en respires environ dix mille litres par jour : l’air. Il paraît vide, mais c’est de la matière. Quelle est sa composition ? Pourquoi une bougie s’éteint-elle sous un verre retourné ? Et que devient l’air que tu rejettes quand tu expires ? Voyons comment les scientifiques ont répondu à ces questions.
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L’air, un mélange de gaz
L’air qui nous entoure est un mélange homogène de gaz : on ne distingue pas ses constituants, mais il en contient plusieurs. L’air a une masse : un litre d’air a une masse d’environ 1,2 g à 20 °C, soit une masse volumique ρ = 1,2 kg/m3. C’est la couche d’air autour de la Terre, l’atmosphère, qui rend la vie possible.
L’air est un mélange de gaz. Ses deux constituants principaux sont le diazote (formule N2) et le dioxygène (formule O2). On y trouve aussi de petites quantités d’autres gaz : argon, dioxyde de carbone, vapeur d’eau…
La composition de l’air : les proportions des gaz
Ces gaz ne sont pas présents en quantités égales. On exprime leurs proportions en volume : sur 100 L d’air, il y a environ 78 L de diazote, 21 L de dioxygène et 1 L d’autres gaz.
| Gaz | Formule | Proportion en volume |
|---|---|---|
| Diazote | N2 | environ 78 % |
| Dioxygène | O2 | environ 21 % |
| Argon | Ar | environ 0,93 % |
| Dioxyde de carbone | CO2 | environ 0,04 % |
| Vapeur d’eau | H2O | variable (de 0 à 4 %) |
Un ballon contient 5,0 L d’air. Volume de dioxygène : 0,21 × 5,0 = 1,05 L. Volume de diazote : 0,78 × 5,0 = 3,9 L. Masse de l’air : m = 1,2 × 5,0 = 6,0 g (avec ρ = 1,2 g/L).
L’expérience de la bougie sous la cloche
Comment montrer qu’une partie de l’air est consommée par une combustion ? On place une bougie allumée sur un support flottant dans une cuvette d’eau, puis on la recouvre d’une cloche en verre. La flamme brûle un moment, puis s’éteint, et l’eau monte dans la cloche d’environ un cinquième de son volume.
Le gaz qui reste dans la cloche (environ 80 % du volume initial) n’entretient plus la combustion : c’est surtout du diazote. Le gaz consommé est le dioxygène.
Le rôle du dioxygène et du diazote
Le dioxygène est indispensable à la combustion et à la respiration. Sans lui, la bougie s’éteint, le feu ne prend pas, et les êtres vivants ne peuvent pas libérer l’énergie contenue dans leurs aliments. Le diazote, lui, n’entretient ni la combustion ni la respiration : il « dilue » le dioxygène, ce qui évite que tout s’enflamme trop vite.
Le dioxygène entretient les combustions. Le diazote ne les entretient pas. Le dioxyde de carbone trouble l’eau de chaux, ce qui permet de le détecter.
L’air inspiré et l’air expiré
Quand on respire, on consomme du dioxygène et on rejette du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau. L’air expiré est donc différent de l’air inspiré.
L’air expiré contient encore du dioxygène (environ 16 %), et pas seulement du dioxyde de carbone. On ne rejette pas « du gaz carbonique pur » : on rejette un mélange.
Identifier les gaz
Chaque gaz a un test caractéristique. Un morceau de bois incandescent se rallume dans le dioxygène. Le dioxyde de carbone trouble l’eau de chaux, qui devient laiteuse. La vapeur d’eau forme de la buée sur une paroi froide. Ces tests permettent de montrer la présence du dioxygène dans l’air et du dioxyde de carbone dans l’air expiré.
L’air, ressource et pollution
La composition de l’air n’est pas toujours la même : l’air des villes contient parfois des polluants (particules fines, dioxyde d’azote, ozone) produits par les transports, le chauffage ou l’industrie. La proportion de dioxyde de carbone augmente lentement depuis un siècle à cause de la combustion des énergies fossiles. Respecter la qualité de l’air est une question de santé et d’environnement.
L’air : 4 cinquièmes de diazote, 1 cinquième de dioxygène. Pour la bougie : « le feu mange un cinquième de l’air, et l’eau le remplace ».
L’essentiel à retenir
- L’air est un mélange homogène de gaz : environ 78 % de diazote, 21 % de dioxygène et 1 % d’autres gaz (en volume).
- Le dioxygène entretient la combustion et la respiration ; le diazote ne les entretient pas.
- Dans l’expérience de la bougie sous la cloche, l’eau monte d’environ un cinquième : le dioxygène est consommé.
- L’air expiré contient moins de dioxygène (16 %) et plus de dioxyde de carbone (4 %) que l’air inspiré.
- Le dioxyde de carbone trouble l’eau de chaux.
- La masse volumique de l’air est d’environ 1,2 kg/m3 : l’air a une masse.