L'air et les combustions
Quatrième · Physique-Chimie · Organisation et transformations de la matière
Organisation et transformations de la matière
L'air : un mélange de gaz qui a une masse
On dit souvent d'un objet très léger qu'il « ne pèse rien, c'est de l'air ». Mauvaise nouvelle pour cette expression : l'air a bel et bien une masse. Et ce n'est pas non plus une substance unique, mais un mélange de plusieurs gaz, dont l'un d'eux, le dioxygène, est indispensable à la respiration et aux combustions.
| Gaz | Formule | Proportion en volume | Rôle |
|---|---|---|---|
| Diazote | N2 | environ 78 % | Peu réactif, il ne brûle pas et n'entretient pas les combustions |
| Dioxygène | O2 | environ 21 % | Indispensable à la respiration et aux combustions |
| Argon et autres gaz | Ar… | environ 1 % | Gaz inertes |
| Dioxyde de carbone | CO2 | environ 0,04 % | Gaz à effet de serre, produit des combustions |
L'air a une masse
Un litre d'air, dans les conditions ordinaires de la salle de classe, a une masse d'environ 1,2 g. C'est peu, mais ce n'est pas rien : l'air contenu dans une salle de classe de 100 m³ pèse environ 120 kg, soit plus que deux élèves ! On le vérifie en pesant un ballon de football gonflé, puis dégonflé : la balance affiche une valeur plus faible après.
Comme un gaz est compressible, on peut enfermer une grande masse d'air dans un petit volume : c'est le principe des bouteilles de plongée.
Organisation et transformations de la matière
Les combustions : une transformation chimique
Une bougie qui brûle, une gazinière allumée, un feu de bois : dans tous les cas, des substances disparaissent et d'autres apparaissent. C'est le signe d'une transformation chimique. Comprendre une combustion, c'est savoir dire ce qui est consommé (les réactifs) et ce qui est formé (les produits).
Deux combustions à connaître par cœur.
1. La combustion du carbone. Un morceau de fusain incandescent plongé dans un flacon de dioxygène rougit vivement. Le carbone disparaît et il se forme un gaz invisible : le dioxyde de carbone.
Bilan en toutes lettres : carbone + dioxygène → dioxyde de carbone.
Équation : C + O2 → CO2
2. La combustion du méthane (le gaz de ville). La flamme est bleue quand la combustion est complète. Il se forme du dioxyde de carbone et de l'eau : on voit d'ailleurs de la buée se déposer sur un récipient froid placé au-dessus de la flamme.
Bilan : méthane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau.
Équation : CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
| Test | Comment on procède | Résultat positif | Gaz identifié |
|---|---|---|---|
| Test du dioxyde de carbone | On verse de l'eau de chaux limpide dans le flacon et on agite | L'eau de chaux se trouble (elle devient blanchâtre) | CO2 |
| Test de l'eau | On approche du sulfate de cuivre anhydre, ou une surface froide | Le sulfate de cuivre blanc devient bleu ; de la buée apparaît | H2O |
| Test du dioxygène | On introduit une bûchette incandescente dans le flacon | La bûchette se rallume vivement | O2 |
La conservation des atomes et de la masse.
Au cours d'une transformation chimique, les molécules sont cassées puis les atomes se réorganisent autrement. Mais aucun atome n'est créé ni détruit : on retrouve exactement les mêmes atomes avant et après. Conséquence directe : la masse totale se conserve (dans un récipient fermé). C'est pour cela qu'une équation chimique doit être équilibrée : autant d'atomes de chaque sorte à gauche qu'à droite de la flèche.
Combustion complète, combustion incomplète
- Quand le dioxygène est en quantité suffisante, la combustion est complète : la flamme est bleue, et il se forme uniquement du dioxyde de carbone (et de l'eau si le combustible contient de l'hydrogène).
- Quand le dioxygène manque, la combustion est incomplète : la flamme devient jaune et fumante, il se dépose des particules de carbone (la suie) et il se forme du monoxyde de carbone CO.
- Le monoxyde de carbone est un gaz incolore, inodore et mortel : c'est la première cause d'intoxication domestique en France. D'où l'obligation de ne jamais boucher les aérations d'une pièce chauffée au gaz, au fioul ou au bois.
- Les combustions d'énergies fossiles rejettent du CO2, gaz à effet de serre, principal responsable du réchauffement climatique d'origine humaine.
Exercices corrigés
Quelle est la proportion approximative de dioxygène dans l'air ?
- A.50 %
- B.78 %
- C.21 %Bonne réponse
- D.0,04 %
Réponse : C — 21 %
Le dioxygène représente environ 21 % du volume de l'air, soit à peu près un cinquième. 78 % correspond au diazote et 0,04 % au dioxyde de carbone. Retiens le couple 78/21 : c'est l'une des données les plus souvent demandées du chapitre.
Quel test permet d'identifier le dioxyde de carbone ?
- A.Le sulfate de cuivre anhydre, qui devient bleu
- B.L'eau de chaux, qui se troubleBonne réponse
- C.Une bûchette incandescente, qui se rallume
- D.Le papier pH, qui devient rouge
Réponse : B — L'eau de chaux, qui se trouble
Le dioxyde de carbone trouble l'eau de chaux, qui passe de limpide à blanchâtre. Le sulfate de cuivre anhydre qui bleuit signale la présence d'eau, et la bûchette incandescente qui se rallume signale le dioxygène. Ces trois tests reviennent constamment : associe bien chaque gaz à son test.
Quelle est l'équation de la combustion complète du carbone ?
- A.C + O → CO
- B.C + 2 O2 → 2 CO2
- C.C + O2 → CO2Bonne réponse
- D.CO2 → C + O2
Réponse : C — C + O2 → CO2
Le carbone réagit avec le dioxygène pour former du dioxyde de carbone : C + O2 → CO2. Vérifions l'équilibre : 1 C et 2 O à gauche, 1 C et 2 O à droite. La proposition C + 2 O2 → 2 CO2 n'est pas équilibrée (1 C à gauche pour 2 C à droite), et la dernière décrit la transformation inverse, qui n'est pas une combustion.
L'air est-il un corps pur ?
- A.Non, c'est un mélange de plusieurs gazBonne réponse
- B.Oui, car c'est un gaz transparent
- C.Oui, car toutes ses molécules sont identiques
- D.Cela dépend de la température
Réponse : A — Non, c'est un mélange de plusieurs gaz
Un corps pur ne contient qu'une seule sorte de molécule. L'air contient au moins du N2, du O2, de l'argon, de la vapeur d'eau et du CO2 : c'est donc un mélange, et un mélange homogène puisqu'on ne distingue pas ses constituants. Ni la transparence ni la température ne changent quoi que ce soit à cette classification.
Quels sont les trois éléments du triangle du feu ?
- A.Un combustible, un comburant et une source d'énergieBonne réponse
- B.Du carbone, du dioxygène et de l'eau
- C.De la chaleur, de la lumière et de la fumée
- D.Un combustible, du diazote et une étincelle
Réponse : A — Un combustible, un comburant et une source d'énergie
Pour qu'une combustion démarre et se poursuive, il faut réunir un combustible (ce qui brûle), un comburant (le dioxygène) et une énergie d'activation (étincelle, flamme, forte chaleur). Supprimer un seul de ces trois côtés éteint le feu : c'est le principe de la couverture anti-feu, qui prive la flamme de dioxygène. La chaleur et la lumière sont des conséquences de la combustion, pas ses conditions, et le diazote n'y participe pas.
Quels produits obtient-on lors de la combustion complète du méthane CH4 ?
- A.Du dioxyde de carbone uniquement
- B.Du dioxyde de carbone et de l'eauBonne réponse
- C.Du monoxyde de carbone et de la suie
- D.Du dioxygène et de l'eau
Réponse : B — Du dioxyde de carbone et de l'eau
La combustion complète du méthane s'écrit CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O : elle produit du dioxyde de carbone ET de l'eau. C'est logique, puisque le méthane contient des atomes de carbone et des atomes d'hydrogène, qui doivent tous se retrouver dans les produits. Le monoxyde de carbone et la suie apparaissent quand la combustion est incomplète, et le dioxygène est un réactif, pas un produit.
Dans l'équation CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O, combien d'atomes d'oxygène compte-t-on du côté des réactifs ?
- A.2 atomes
- B.3 atomes
- C.4 atomesBonne réponse
- D.8 atomes
Réponse : C — 4 atomes
Du côté des réactifs, seul O2 contient de l'oxygène. Le coefficient 2 multiplie l'indice 2 : 2 × 2 = 4 atomes d'oxygène. Vérifions du côté des produits : le CO2 en apporte 2, et les 2 H2O en apportent 2 × 1 = 2, soit 4 au total. Les deux côtés concordent, l'équation est bien équilibrée. Répondre 2, c'est confondre le coefficient et l'indice.
On brûle 24 g de carbone dans un récipient fermé contenant 64 g de dioxygène. Tout est consommé. Quelle masse de dioxyde de carbone obtient-on ?
- A.40 g
- B.88 gBonne réponse
- C.64 g
- D.24 g
Réponse : B — 88 g
Au cours d'une transformation chimique, aucun atome n'est créé ni détruit : la masse totale se conserve. La masse des produits est donc égale à la masse des réactifs : 24 + 64 = 88 g de dioxyde de carbone. Répondre 40 g (= 64 − 24) revient à soustraire, ce qui n'a aucun sens ici puisque les deux réactifs sont tous deux consommés et se retrouvent dans le produit.
Un ballon contient 20 L d'air. On le comprime jusqu'à ce qu'il n'occupe plus que 5 L. Que devient la masse de l'air enfermé ?
- A.Elle est divisée par 4
- B.Elle reste la même : 24 gBonne réponse
- C.Elle est multipliée par 4
- D.Elle devient nulle
Réponse : B — Elle reste la même : 24 g
Comprimer un gaz rapproche ses molécules, mais n'en supprime aucune : la masse est donc inchangée. Elle vaut 20 × 1,2 = 24 g avant comme après. Ce qui change, c'est la masse volumique : 24 g dans 5 L, soit 4,8 g par litre, quatre fois plus dense qu'au départ. Le réflexe à garder : la matière se conserve, seul le volume varie.
Quel gaz est le plus abondant dans l'air ?
- A.Le diazoteBonne réponse
- B.Le dioxygène
- C.Le dioxyde de carbone
- D.La vapeur d'eau
Réponse : A — Le diazote
L'air contient environ 78 % de diazote N2, contre seulement 21 % de dioxygène O2. Le dioxyde de carbone est très minoritaire (environ 0,04 %) malgré son importance pour le climat. On retient souvent, à tort, que l'air « c'est de l'oxygène » : c'est en réalité le diazote qui domine largement.
Quel gaz est nécessaire à une combustion ? On l'appelle le comburant.
- A.Le diazote
- B.Le dioxyde de carbone
- C.La vapeur d'eau
- D.Le dioxygèneBonne réponse
Réponse : D — Le dioxygène
Le comburant des combustions courantes est le dioxygène O2 de l'air. Le diazote, bien que majoritaire, est très peu réactif et ne participe pas à la combustion. Le dioxyde de carbone, lui, est au contraire un produit de la combustion : c'est même pour cela qu'on l'utilise dans certains extincteurs, car il étouffe le feu en chassant le dioxygène.
Quelle est la masse approximative de 1 litre d'air ?
- A.1,2 kg
- B.1,2 gBonne réponse
- C.0 g, l'air n'a pas de masse
- D.12 g
Réponse : B — 1,2 g
Un litre d'air a une masse d'environ 1,2 g. Ce n'est pas nul : la preuve, un ballon gonflé est plus lourd qu'un ballon dégonflé. En revanche 1,2 kg par litre serait la masse d'un liquide, pas d'un gaz : c'est environ la masse volumique de l'eau. Un gaz est environ 1000 fois moins dense qu'un liquide.
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