Les Lois Fondamentales des Gaz et la Composition de l'Air
Classé dans Chimie
Écrit le en 
français avec une taille de 5,37 KB
Propriétés et composition de l'air
Les premières propriétés observées dans les gaz sont :
- La transparence
- La capacité de compression et d'expansion
- La capacité de diffusion
La pression de l'air
La première propriété de l'air étudiée de manière quantitative fut la pression, dont la mesure est essentielle pour établir les lois des gaz.
La composition chimique de l'air
L'atmosphère terrestre est un mélange de gaz. Quatre d'entre eux constituent 99 % du volume total et sont souvent mentionnés comme les composants principaux de l'air. La concentration de la plupart des gaz atmosphériques est soumise à des variations saisonnières et d'altitude.
Lois des gaz parfaits
La loi de Boyle
La compressibilité de l'air est un fait avéré. L'expérience classique utilise un tube de verre en forme de J, fermé à une extrémité, dans lequel on verse une quantité de mercure, piégeant ainsi un volume d'air. En ajoutant des quantités successives de mercure, on obtient un air plus comprimé. Après chaque ajout, on mesure le volume global de l'air emprisonné et la pression à laquelle il est soumis.
La relation établie est : PV = constante.
Boyle ne pouvait pas contrôler la température à laquelle il menait son expérience, mais il supposait qu'elle restait constante. Ainsi, à température constante, la pression et le volume d'une quantité fixe de gaz sont inversement proportionnels.
La loi de Charles et de Gay-Lussac
Après les travaux de Boyle, un effort soutenu a été fait pour découvrir l'effet des variations de température sur la pression et le volume d'un gaz. En répétant l'expérience de Boyle à différentes températures, on obtient différentes courbes appelées isothermes. L'existence de ces courbes indique que la température influe sur la pression (pour un même volume) ou sur le volume (pour une même pression).
Si la pression reste constante, le volume augmente lorsque la température augmente, c'est-à-dire que le gaz se dilate. La relation entre le volume et la température a été donnée par Charles.
Dans son expérience, dans un tube scellé à une extrémité, une petite quantité de mercure emprisonne une masse donnée d'air. Lorsque la température augmente, on observe que le mercure se déplace, augmentant le volume d'air emprisonné. Les résultats de l'expérience peuvent être représentés sur un diagramme volume-température, obtenant une ligne qui, si elle est prolongée à des températures négatives, coupe l'axe à -273 °C.
La relation est : V / T = constante.
Pour une quantité fixe de gaz à pression constante, le volume et la température absolue sont directement proportionnels. Cette loi a été établie par Gay-Lussac en 1808 et confirmée par Dalton.
Les lois de Boyle et Charles peuvent être combinées dans une équation qui relie la pression, le volume et la température pour une masse donnée de gaz. Cette loi est très utile pour connaître le volume d'un gaz dans des conditions de P et T déterminées, en connaissant le volume occupé par le même gaz dans des conditions différentes.
Hypothèse d'Avogadro
L'hypothèse d'Avogadro, énoncée en 1811, stipule que des volumes égaux de tous les gaz, mesurés dans les mêmes conditions de pression et de température, contiennent le même nombre de molécules. L'échelle utilisée pour mesurer la quantité de gaz est le nombre de molécules, ce qui permet d'intégrer la notion de mole.
En remplaçant le terme constant de la loi combinée par le nombre de moles de gaz (n), on obtient l'équation générale des gaz parfaits :
PV = nRT
Dans cette équation, R est la constante des gaz parfaits, dont la valeur dépend des unités utilisées pour mesurer la pression et le volume. Lorsque le volume est mesuré en litres (L), la pression en atmosphères (atm) et la température en kelvin (K) :
R = 0,082 atm.L / mol.K
Loi de Dalton sur les pressions partielles
Il est souvent nécessaire de connaître la relation entre P, V et T d'un mélange de gaz. Cela requiert de comprendre comment la pression totale du mélange est liée aux pressions individuelles des composants. Chaque gaz exerce une pression dans le mélange, appelée pression partielle.
En 1801, Dalton a formulé une loi, connue sous le nom de loi des pressions partielles de Dalton, qui stipule que la pression totale d'un mélange de gaz est la somme des pressions que chaque gaz exercerait s'il était seul.
Loi de Graham sur la diffusion
Si l'on introduit un second gaz dans un récipient contenant déjà un gaz, après un certain temps, les deux gaz forment un mélange homogène. Le mélange progressif de deux gaz pour former une solution est un phénomène connu sous le nom de diffusion.
Ce phénomène a été étudié par Thomas Graham en 1832. Il a établi une loi qui stipule que, sous la même pression et la même température, le taux de diffusion de deux gaz est inversement proportionnel à la racine carrée de leur masse molaire. Cette loi est appelée loi de Graham de la diffusion. Cette équation est également utilisée pour décrire le phénomène de l'épanchement.