Karamö, le prof virtuelLeçon 1 sur 22
Propriétés et structure moléculaire des gaz
Je sais décrire les propriétés d'un gaz (il a une masse, il occupe tout l'espace, il se comprime et se détend) et les expliquer avec le modèle moléculaire.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Montrer qu'un gaz a une masse et calculer la masse d'un volume d'air
- Décrire l'expansibilité, la compressibilité et la diffusion d'un gaz
- Expliquer ces propriétés avec le modèle moléculaire (molécules éloignées et en agitation désordonnée)
- Relier la pression d'un gaz aux chocs de ses molécules
Avant de commencer : Les trois états de la matière, les mélanges et les corps purs, la molécule (8e) ; les conversions d'unités de volume (1 m³ = 1 000 L).
1Je découvre
Au bord de la route, à Mamou, Ibrahima regonfle le pneu de sa moto chez le vulcanisateur. La pompe pousse de l'air dans la chambre à air : le pneu, mou au départ, devient dur. Pourtant, on ne voit rien entrer.
Pendant ce temps, à quelques mètres, une vendeuse fait griller des brochettes. Même sans regarder, Ibrahima sent l'odeur de la viande grillée : elle est arrivée jusqu'à lui à travers l'air.
Sa petite sœur Hawa lui pose deux questions. « L'air, c'est du vide ? Il ne pèse rien ? » et « Comment l'odeur fait-elle pour voyager jusqu'à toi ? »
L'air est invisible, mais il est bien de la matière : il se laisse enfermer, pousser, serrer, et il transporte les odeurs.
Quelles sont les propriétés d'un gaz, et comment la structure en molécules permet-elle de les expliquer ?
2Je comprends
1. Un gaz est de la matière : il a une masse
Un gaz n'est pas du vide. On peut le montrer avec une expérience simple.
On pèse un ballon de football dégonflé, puis on le gonfle avec une pompe et on le pèse à nouveau : la balance indique une masse plus grande. La différence est la masse de l'air ajouté.
Avec du matériel de laboratoire, on mesure qu'un litre d'air a une masse d'environ 1,2 g à 20 °C et à la pression atmosphérique normale. C'est environ 800 fois moins qu'un litre d'eau (1 000 g), mais ce n'est pas zéro.
Exemple
Quelle est la masse de l'air contenu dans une salle de classe de 8 m de long, 6 m de large et 3 m de haut ?
- Volume de la salle : V = 8 × 6 × 3 = 144 m³.
- Conversion en litres : 1 m³ = 1 000 L, donc V = 144 000 L.
- Masse de l'air : m = 144 000 × 1,2 = 172 800 g.
- Conversion : m = 172,8 kg, soit environ 173 kg.
L'air de la classe pèse plus lourd que deux adultes réunis.
L'air est un mélange de gaz. En volume, il contient environ 78 % de diazote (N2), 21 % de dioxygène (O2) et 1 % d'autres gaz (argon, dioxyde de carbone CO2, vapeur d'eau…).
2. Un gaz occupe tout l'espace qui lui est offert : l'expansibilité
Un solide a une forme propre. Un liquide n'a pas de forme propre mais a un volume propre : un litre d'eau reste un litre, quel que soit le récipient.
Un gaz, lui, n'a ni forme propre ni volume propre : il occupe tout le volume du récipient qui le contient. Si on ouvre un flacon de parfum dans un coin de la pièce, le gaz parfumé finit par remplir toute la pièce. On dit qu'un gaz est expansible.
Le mélange spontané de deux gaz, comme l'odeur des brochettes dans l'air, s'appelle la diffusion. Elle est plus rapide quand il fait chaud.
3. Un gaz se comprime et se détend
Bouche avec ton doigt l'embout d'une seringue remplie d'air, puis pousse le piston : le piston s'enfonce, le volume de l'air diminue. Tu sens que l'air résiste de plus en plus. Lâche le piston : il revient à sa place.
- Un gaz est compressible : on peut diminuer son volume en le serrant (compression).
- Un gaz est élastique : quand on le laisse libre, il reprend son volume (détente).
Quand on comprime un gaz, sa pression augmente. La pression se mesure avec un manomètre ; son unité légale est le pascal (Pa). On utilise aussi le bar (1 bar = 100 000 Pa). Au niveau de la mer, la pression de l'air est d'environ 1 013 hPa, soit environ 1 bar.
Pour une même quantité de gaz, à température constante, si le volume est divisé par 2, la pression est multipliée par 2 (loi de Boyle-Mariotte : P × V reste constant).
Exemple
Une seringue contient 60 mL d'air à la pression de 1 bar. On bouche l'embout et on pousse le piston jusqu'à 20 mL, sans changer la température. Quelle est la nouvelle pression ?
- Le volume passe de 60 mL à 20 mL : il est divisé par 60 ÷ 20 = 3.
- La pression est donc multipliée par 3.
- Nouvelle pression : P = 1 × 3 = 3 bar.
Vérification : 1 × 60 = 60 et 3 × 20 = 60 ; le produit P × V est bien resté le même.
À l'inverse, un liquide est pratiquement incompressible : essaie avec une seringue pleine d'eau, le piston ne bouge presque pas.
4. Le modèle moléculaire d'un gaz
En 8e, tu as appris que la matière est faite de molécules très petites. Ce modèle explique tout ce que l'on vient d'observer.
Dans un gaz :
- les molécules sont très éloignées les unes des autres par rapport à leur taille : entre elles, il y a du vide ;
- elles sont en mouvement désordonné permanent, dans toutes les directions, à des vitesses de plusieurs centaines de mètres par seconde : c'est l'agitation thermique ;
- plus la température est élevée, plus l'agitation est rapide ;
- elles se cognent entre elles et contre les parois du récipient.
- Molécules serrées, en contact
- Solide : molécules presque immobiles ; liquide : elles glissent
- Volume propre
- Presque incompressible
- Molécules très éloignées
- Molécules en mouvement rapide et désordonné
- Pas de volume propre
- Très compressible
5. Expliquer les propriétés avec le modèle
| Propriété observée | Explication par le modèle moléculaire |
|---|---|
| Le gaz a une masse | Chaque molécule a une masse ; le gaz est formé d'un très grand nombre de molécules. |
| Le gaz occupe tout le volume | Les molécules se déplacent dans toutes les directions jusqu'à rencontrer les parois. |
| La diffusion (odeur) | Les molécules du parfum se glissent entre les molécules de l'air grâce à leur agitation. |
| La compressibilité | Il y a beaucoup de vide entre les molécules : on peut les rapprocher. |
| La pression | Les molécules frappent sans cesse les parois ; ces chocs poussent les parois. |
| La pression augmente quand on comprime | Les molécules, plus serrées, frappent les parois plus souvent. |
Retour au pneu d'Ibrahima : la pompe fait entrer de plus en plus de molécules d'air dans la chambre à air. Les chocs sur la paroi deviennent plus nombreux, la pression augmente et le pneu devient dur. Et en pleine chaleur de la saison sèche, l'agitation des molécules augmente : la pression dans un pneu trop gonflé peut devenir dangereuse.
Méthode
Pour expliquer un phénomène avec le modèle moléculaire :
- Je dis dans quel état est la matière (ici : un gaz).
- Je rappelle le modèle : molécules éloignées, en agitation désordonnée, qui frappent les parois.
- Je dis ce qui change pour les molécules (nombre, distance, vitesse).
- Je relie ce changement à l'observation (volume, odeur, pression).
3Je retiens
Je retiens
Un gaz est de la matière : il a une masse. 1 L d'air a une masse d'environ 1,2 g (à 20 °C).
L'air contient environ 78 % de diazote, 21 % de dioxygène et 1 % d'autres gaz (en volume).
Un gaz n'a ni forme propre ni volume propre : il est expansible et occupe tout le volume offert.
Un gaz est compressible et élastique ; quand on le comprime, sa pression augmente (unité : pascal, Pa ; 1 bar = 100 000 Pa).
Modèle moléculaire d'un gaz : molécules très éloignées, en agitation désordonnée permanente, plus rapide quand la température augmente.
La pression d'un gaz est due aux chocs de ses molécules sur les parois.
4Erreurs fréquentes
- Croire qu'un gaz ne pèse rien parce qu'on ne le voit pas : 1 L d'air a une masse d'environ 1,2 g.
- Oublier de convertir les m³ en litres : 1 m³ = 1 000 L, et non 100 L.
- Dire que les molécules « grossissent » quand on chauffe un gaz : les molécules gardent leur taille, c'est leur agitation qui augmente.
- Dire qu'un liquide se comprime comme un gaz : un liquide est pratiquement incompressible, car ses molécules sont déjà en contact.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie et complète avec les mots : masse, expansible, compressible, chocs, éloignées.
Un gaz est de la matière, il a une … . Il occupe tout le volume offert : il est … . On peut réduire son volume : il est … . Ses molécules sont très … les unes des autres. La pression est due aux … des molécules sur les parois.
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Un gaz est de la matière, il a une masse. Il occupe tout le volume offert : il est expansible. On peut réduire son volume : il est compressible. Ses molécules sont très éloignées les unes des autres. La pression est due aux chocs des molécules sur les parois.
2Exercice 2
Une chambre d'une maison de Labé mesure 4 m sur 3 m et 2,5 m de haut. Calcule la masse de l'air qu'elle contient (1 L d'air a une masse de 1,2 g).
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Volume : V = 4 × 3 × 2,5 = 30 m³ = 30 000 L.
Masse : m = 30 000 × 1,2 = 36 000 g = 36 kg.
L'air de la chambre a une masse de 36 kg.
3Exercice 3
Mariama pèse un ballon dégonflé : 410 g. Elle le gonfle, puis le pèse : 416 g.
a) Quelle masse d'air a-t-elle fait entrer ?
b) Quel volume d'air cela représente-t-il, à la pression atmosphérique (1 L d'air a une masse de 1,2 g) ?
c) Le volume du ballon est d'environ 5 L. Pourquoi a-t-on pu y faire entrer plus d'air que son volume ?
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a) Masse d'air : 416 - 410 = 6 g.
b) Volume à la pression atmosphérique : V = 61,2 = 5 L.
c) Dans le ballon, l'air est comprimé : sa pression est plus forte que la pression atmosphérique. Comme un gaz est compressible (ses molécules sont éloignées), on peut faire entrer plus de molécules dans le même volume. L'air ajouté s'ajoute à celui qui était déjà dans le ballon : le tout est serré dans environ 5 L.
4Exercice 4
Explique avec le modèle moléculaire :
a) pourquoi on sent l'odeur du poisson fumé dans toute la maison ;
b) pourquoi un pneu gonflé devient dur.
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a) Les molécules odorantes du poisson passent à l'état gazeux. Grâce à l'agitation désordonnée, elles se glissent entre les molécules de l'air et se dispersent dans toutes les directions : c'est la diffusion. Elles finissent par atteindre toutes les pièces et notre nez.
b) En gonflant, on fait entrer de plus en plus de molécules d'air dans le pneu. Elles frappent plus souvent la paroi : la pression augmente. La paroi est poussée vers l'extérieur avec plus de force, le pneu devient dur.
5Exercice 5
(Type examen) Une seringue fermée contient 50 mL d'air à la pression de 1 bar. On enfonce le piston jusqu'à 25 mL sans changer la température.
a) Quelle propriété des gaz cette expérience met-elle en évidence ?
b) Quelle est la nouvelle pression de l'air ?
c) Le nombre de molécules d'air dans la seringue a-t-il changé ? Et la masse de l'air ? Justifie.
d) On lâche le piston. Que se passe-t-il ? Comment appelle-t-on cette propriété ?
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a) Cette expérience montre que l'air est compressible.
b) Le volume est divisé par 2 (50 ÷ 25 = 2), donc la pression est multipliée par 2 : P = 2 bar. Vérification : 1 × 50 = 2 × 25 = 50.
c) Non : la seringue est fermée, aucune molécule n'entre ni ne sort. Les molécules sont seulement plus rapprochées. La masse de l'air ne change donc pas non plus.
d) Le piston revient à sa position de départ (50 mL) : l'air se détend. C'est l'élasticité du gaz.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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