L'air un melange particulier

Contrairement aux apparences, l'air est une matière. Cela signifie qu'il a une masse et occupe un volume.

• Masse de l'air : On peut démontrer que l'air a une masse en pesant un ballon dégonflé puis gonflé. La différence de masse correspond à la masse de l'air contenu dans le ballon. Par exemple, 1 litre d'air à 0°C et à pression atmosphérique pèse environ 1,29 gramme.
• Volume de l'air : L'air occupe un espace. On ne peut pas comprimer complètement un objet dans une seringue si elle contient de l'air.
• Compressibilité de l'air : L'air peut être comprimé, c'est-à-dire que son volume peut être réduit sous l'effet d'une pression. Une seringue bouchée permet de le visualiser : on peut pousser le piston.
• Expansibilité de l'air : L'air peut aussi se détendre et occuper un volume plus grand si la pression diminue. Un ballon gonflé dans l l'espace (où la pression est faible) éclate.

L'air n'est pas une substance pure, mais un mélange de gaz.

• Définition d'un mélange : Un mélange est constitué de plusieurs substances différentes. Dans le cas de l'air, ces substances sont des gaz.
• Composition de l'air (principaux gaz) : L'air est principalement composé de deux gaz : le diazote et le dioxygène.
• Proportions des gaz dans l'air : Ces gaz sont présents dans des proportions bien définies :
  • environ 78 % de diazote
  • environ 21 % de dioxygène
• Gaz rares et impuretés : Le 1 % restant est constitué d'autres gaz, comme l'argon, le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau, et d'autres gaz rares en très faibles quantités. On y trouve aussi des impuretés comme des poussières.

L'air possède plusieurs propriétés physiques que nous percevons au quotidien :

• Incolore, inodore, insipide : L'air pur n'a ni couleur, ni odeur, ni goût.
• Pression atmosphérique : L'air exerce une pression sur toutes les surfaces. C'est la pression atmosphérique, due au poids de la colonne d'air au-dessus de nous. Elle est d'environ 1013 hectopascals (hPa) au niveau de la mer.
• Température de l'air : C'est la mesure de l'agitation des molécules de l'air. Elle varie selon les lieux et les saisons.
• Humidité de l'air : C'est la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air. Elle est exprimée en pourcentage.

Le diazote est le gaz le plus abondant de l'atmosphère.

• Formule chimique : Il est représenté par la formule $\text{N}_2$, ce qui signifie qu'il est composé de deux atomes d'azote liés.
• Proportion dans l'air : Il constitue environ 78 % de l'air que nous respirons.
• Rôle du diazote : Bien qu'il soit majoritaire, le diazote est relativement inactif pour la plupart des êtres vivants. Il sert principalement à diluer le dioxygène.
• Inertie chimique : Le diazote est un gaz très stable et peu réactif dans les conditions normales. On dit qu'il est inerte.

Le dioxygène est vital pour la vie sur Terre.

• Formule chimique : Sa formule est $\text{O}_2$, indiquant deux atomes d'oxygène.
• Proportion dans l'air : Il représente environ 21 % de l'air.
• Rôle dans la combustion : Le dioxygène est le comburant indispensable à la plupart des combustions (feu, moteur). Sans lui, pas de flamme !
• Rôle dans la respiration : C'est le gaz que nous respirons, essentiel à la respiration cellulaire qui fournit l'énergie nécessaire aux organismes vivants.

Même en faibles proportions, certains autres gaz ont un rôle important.

• Dioxyde de carbone (CO₂) : Environ 0,04 % de l'air. Il est produit par la respiration, les combustions et les activités humaines. Il est essentiel pour la photosynthèse des plantes et contribue à l'effet de serre naturel.
• Vapeur d'eau (H₂O) : Sa proportion varie de 0,1 % à 5 % selon l'humidité. Elle est cruciale pour le cycle de l'eau et la formation des nuages et des précipitations.
• Gaz rares (argon, néon...) : Moins de 1 % de l'air. Ils sont chimiquement inertes et ont des applications industrielles (éclairage, soudure).
• Polluants atmosphériques : En quantités très variables et souvent nocives (particules fines, oxydes d'azote, etc.).

On peut facilement prouver la présence de dioxygène dans l'air.

• Expérience de la bougie sous cloche :
  1. Placez une bougie allumée sous une cloche.
  2. La bougie s'éteint après un certain temps.
  3. Le niveau de l'eau (si la cloche trempe dans l'eau) monte d'environ 1/5 du volume de la cloche.
• Consommation du dioxygène : L'extinction de la bougie montre que le dioxygène, nécessaire à la combustion, a été consommé.
• Calcul de la proportion de dioxygène : La montée de l'eau indique que le dioxygène représente environ 20 % (soit 1/5) du volume de l'air.
• Test du dioxygène (tison incandescent) : Pour identifier spécifiquement le dioxygène, on utilise un tison (bâtonnet de bois) presque éteint mais encore incandescent. Si on l'introduit dans un gaz contenant du dioxygène, il se rallume vivement.

Le dioxyde de carbone est identifiable avec un réactif spécifique.

• Test à l'eau de chaux : On fait barboter de l'air (ou un gaz suspecté de contenir du $\text{CO}_2$) dans de l'eau de chaux.
• Formation de précipité blanc : Si du dioxyde de carbone est présent, l'eau de chaux se trouble et un précipité blanc (carbonate de calcium) se forme.
• Origine du CO₂ dans l'air : On peut montrer sa présence dans l'air expiré, ou dans les gaz de combustion.
• Rôle dans l'effet de serre : Ce gaz, bien que minoritaire, joue un rôle important dans le maintien d'une température habitable sur Terre.

La vapeur d'eau est invisible, mais sa présence peut être révélée.

• Condensation sur surface froide : Si vous placez un verre très froid dans une pièce, de fines gouttelettes d'eau apparaissent sur sa surface extérieure.
• Formation de buée : C'est le même phénomène qui provoque la buée sur les vitres en hiver ou sur un miroir après une douche chaude. La vapeur d'eau de l'air se refroidit au contact de la surface froide et se transforme en eau liquide.
• Rôle de l'humidité : La quantité de vapeur d'eau influence le confort thermique et des phénomènes météorologiques.
• Cycle de l'eau : La vapeur d'eau est un élément clé du cycle de l'eau, évaporée des océans et des sols, elle forme les nuages.

La combustion est une réaction chimique.

• Définition de la combustion : C'est une réaction chimique rapide entre un combustible (matière qui brûle) et un comburant (généralement le dioxygène de l'air), qui dégage de la chaleur et souvent de la lumière.
• Combustible et comburant : Par exemple, le bois est un combustible, le dioxygène est le comburant.
• Produits de la combustion complète : Si le dioxygène est en quantité suffisante, la combustion est dite complète. Elle produit principalement du dioxyde de carbone ($\text{CO}_2$) et de l'eau ($\text{H}_2\text{O}$).
  • Exemple : $\text{Méthane} + \text{Dioxygène} \rightarrow \text{Dioxyde de carbone} + \text{Eau}$
  • $\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$
• Produits de la combustion incomplète : Si le dioxygène est en quantité insuffisante, la combustion est dite incomplète. Elle produit, en plus du $\text{CO}_2$ et de $\text{H}_2\text{O}$, des substances dangereuses comme le monoxyde de carbone ($\text{CO}$) et des particules de carbone (suies).
  • Exemple : $\text{Méthane} + \text{Dioxygène (insuffisant)} \rightarrow \text{Monoxyde de carbone} + \text{Eau} + \text{Carbone}$

Le dioxygène est le moteur de la combustion.

• Dioxygène comme comburant : C'est le gaz qui "nourrit" le feu. Sans lui, aucune flamme ne peut subsister.
• Influence de la quantité de dioxygène : Plus la quantité de dioxygène disponible est grande, plus la combustion est vive et complète.
• Expériences de combustion : Une bougie brûle plus intensément dans du dioxygène pur que dans l'air.
• Danger des combustions sans air : En milieu confiné, le manque de dioxygène conduit à des combustions incomplètes, produisant des gaz toxiques.

Les combustions peuvent présenter des risques importants.

• Monoxyde de carbone (CO) : C'est un gaz incolore, inodore et très toxique, produit lors des combustions incomplètes. Il peut provoquer des intoxications mortelles car il prend la place du dioxygène dans le sang.
• Risques d'incendie : Une combustion mal contrôlée peut se transformer en incendie, causant des dégâts matériels et humains.
• Pollution de l'air : Les produits de combustion (CO, suies, oxydes d'azote) sont des polluants atmosphériques nocifs pour la santé et l'environnement.
• Prévention des accidents domestiques : Il est crucial d'assurer une bonne ventilation des appareils de chauffage, d'entretenir les conduits de cheminée et d'installer des détecteurs de monoxyde de carbone pour prévenir ces dangers.

L'air contient des substances qui peuvent être nocives.

• Origine des polluants (naturelle, humaine) : Certains polluants sont d'origine naturelle (éruptions volcaniques, feux de forêt), mais la majorité provient des activités humaines.
• Types de polluants (particules fines, NOx, SOx) :
  • Particules fines (PM2.5, PM10) : issues des combustions (moteurs, chauffage), elles peuvent pénétrer profondément dans les poumons.
  • Oxydes d'azote ($\text{NO}_x$) : produits par les transports et l'industrie.
  • Oxydes de soufre ($\text{SO}_x$) : principalement issus de l'industrie et du chauffage au fioul.
  • Composés organiques volatils (COV) : solvants, peintures, etc.
• Sources de pollution (transports, industrie, chauffage) : Les principales sources sont les véhicules, les usines, le chauffage résidentiel et l'agriculture.
• Effets sur la santé et l'environnement : La pollution de l'air peut provoquer des maladies respiratoires et cardiovasculaires, des allergies, et avoir des impacts sur la végétation (pluies acides).

Pour agir, il faut mesurer.

• Indices de qualité de l'air : Des indices (par exemple, l'indice ATMO en France) sont calculés quotidiennement à partir des concentrations de plusieurs polluants. Ils permettent d'informer le public sur la qualité de l'air.
• Stations de mesure : Des stations de mesure réparties sur le territoire analysent en continu la composition de l'air.
• Alertes à la pollution : En cas de dépassement de seuils de pollution, des alertes sont émises et des mesures peuvent être prises (circulation alternée, réduction de la vitesse).
• Rôle des organismes de surveillance : Des associations agréées (comme les AASQA en France) sont chargées de la surveillance de la qualité de l'air.

Chacun peut contribuer à un air plus pur.

• Réduction des émissions : Les politiques publiques visent à réduire les émissions des industries et des véhicules.
• Énergies renouvelables : Favoriser l'utilisation de sources d'énergie moins polluantes (solaire, éolien) pour la production d'électricité et le chauffage.
• Transports doux : Encourager la marche, le vélo et les transports en commun plutôt que la voiture individuelle.
• Gestes quotidiens :
  • Bien ventiler son logement.
  • Éviter les feux de cheminée ou les barbecues en cas de pic de pollution.
  • Utiliser des produits d'entretien et de bricolage moins émetteurs de COV.
  • Entretenir régulièrement sa voiture et ses appareils de chauffage.