Chapitre 1 : montgolfière

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1 Chapitre 1 : montgolfière La chimie est la science qui étudie l'organisation de la matière et ses transformations. La démarche scientifique expérimentale demande de suivre un certain nombre de règles afin de pouvoir manipuler en toute sécurité. Je rentre dans une salle de sciences physiques Je mets mes sacs au devant de la salle et je prends cahier, trousse et règle. Je me déplace dorénavant dans le calme. Je vais chercher ma barquette, je vérifie l'état du matériel et j'en deviens responsable. J'attache mes cheveux s'ils sont longs. Je manipule Je réalise les expériences debout près d'une paillasse bien dégagée. Je ne fais pas de gestes brusques et je reste calme en toutes circonstances. Je ne goûte pas, je ne sens pas les produits!!! Je rebouche les flacons aussitôt après usage. Je quitte la salle Je range et nettoie ma paillasse et la fait vérifier par mon professeur. Je me lave les mains. Les réactifs chimiques possèdent des pictogrammes indiquant le niveau de danger éventuel. On peut retrouver ces pictogrammes sur les produits d'entretien ménager comme les détergents, les déboucheurs d'éviers Il faudra prendre l'habitude de regarder ces pictogrammes afin d'adapter son comportement. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 1/9

2 De même, afin que tout le monde se comprenne, les scientifiques ont établi des dessins normalisés que nous appellerons symbole des différents instruments utilisés. Comme, généralement, ces derniers sont en verre. On parle souvent de «la verrerie». ballon à fond rond ballon à fond plat bécher éprouvette erlenmeyer tube à essais verre à pied chauffe ballon balance électronique Dès qu'il s'agira de schématiser, il faudra prendre l'habitude de travailler avec une règle et un critérium (ou un crayon à papier bien aiguisé). Les schémas devront être clairs et suffisamment grands. Une légende sera ajoutée si le symbole n'est pas normalisé. On représentera tout liquide au repos par un trait horizontal. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 2/9

3 1. Mais de quoi est composé l'air qui nous entoure? L'atmosphère est une enveloppe de gaz en mouvement qui entoure la Terre. Nous vivons dans la couche appelée troposphère épaisse de seulement 10km! L'atmosphère terrestre permet la vie car elle contient du dioxygène indispensable à la respiration des êtres vivants. Elle nous protège aussi de certains rayons nocifs du Soleil, comme les rayons ultraviolets, et de l'impact des météorites qui s'y consument. Il y a 500 millions d'années, l'atmosphère a atteint sa composition actuelle. Voici un tableau donnant la composition des atmosphères d'astres du système solaire en % de volume de gaz. Gaz Vénus Mars Lune Terre Terre sans vie Dioxyde de carbone (CO2) ,034 99,8 Diazote (N2) 3,5 2,7 0 78,1 0,009 Dioxygène (O2) 0,003 0, ,9 0,09 Argon (Ar) 0,006 1,6 0 0,93 - Les scientifiques ont imaginé un modèle s'appuyant sur un certain nombres d'hypothèses qui doit permettre d'expliquer les propriétés de l'air des gaz en général. Selon ce modèle : Une molécule est un grain de matière très petit, environ un million de fois plus petit qu'un millimètre (taille du nanomètre : nm). Elle est indéformable et a une petite masse. Un corps pur à l'état de gaz est constitué de molécules toutes identiques. Les molécules ont des mouvements très rapides dans tous les sens et elles se heurtent entre elles et contre les parois des récipients. Il y a des chocs et des rebonds comme pour une balle de tennis. Les molécules d'un gaz forment un ensemble désordonné. A/ Quels sont les deux principaux constituants de l atmosphère terrestre? Et leur pourcentage? B/ Qu'est-ce qu'une molécule? Quelle est sa taille environ? C/ Comment sont schématisées les molécules de dioxygène et diazote sur le dessin en couleur ci-dessus? D/ Quelle est la formule chimique du dioxygène? Même question pour le diazote. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 3/9

4 Ça bouge! L air est un mélange de molécules dispersées, désordonnées et en mouvement. 20 % de molécules de dioxygène Ça bouge! 80 % de molécules de diazote Remarque1 : sur la Lune, il n'y a pas d'atmosphère! Remarque2 : l'atmosphère terrestre est divisée en plusieurs couches. Maintenant, je sais que : * L'air est un mélange composé de principalement deux gaz : 20 % de dioxygène et 80 % de diazote. * La matière est faite de grains de matière appelées molécules d'environ un nanomètre de taille. * La formule de la molécule de dioxygène est O2. * Le code couleur de la molécule de dioxygène est deux sphères rouges. * La formule de la molécule de diazote est N2. * Le code couleur de la molécule de diazote est deux sphères bleues. Maintenant, je sais faire : * représenter une molécule par deux sphères de couleur collées. * extraire des informations d'un document écrit. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 4/9

5 2. Comment expliquer qu'une montgolfière puisse s'envoler? Regardons le début de la vidéo de C'est pas sorcier sur les montgolfières et les ballons : Notre système d'étude est : la montgolfière. Qu'est-ce qui agit sur la montgolfière en vol? 1) l'air qui entoure la montgolfière tape dessus et pousse vers le haut : c'est la poussée d'archimède. 2) la terre attire à distance la montgolfière et fait descendre : c'est la gravité (aussi appelé le poids) Comment pouvons-nous représenter ces actions? Puisque l'air pousse vers le haut, je représente cette action par une flèche vers le haut. Puisque l'air pousse vers le bas, je représente cette action par une flèche vers le bas. Poussée d'archimède Poids On appelle «force» l'action mécanique entre deux objets. Elle est représentée par une flèche. Par exemple, la poussée d'archimède et la gravité sont des forces. Sa valeur s'exprime en Newton (N). Quel est le résultat de l'action de ces deux forces? Si la poussée d'archimède est supérieure au poids, alors le ballon s'envole. Comment calcule-t-on le poids? La relation pour calculer le poids est : P = ρ x V x g où «P» est le poids en N, «ρ» est la masse volumique d'air intérieur en kg/l, «V» le volume d'air intérieur en l, «g» l'intensité de pesanteur de la Terre en N/kg. Pour utiliser cette relation, il faut remplacer ρ par sa valeur qui est, après mesure, 0,9g/l soit 0,0009kg/l. V par sa valeur qui est de l pour cette montgolfière. g par sa valeur qui est 10 pour la Terre. Et multiplier. Ce qui donne P = 0,0009 x x 10 = N. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 5/9

6 Comment calcule-t-on la poussée d'archimède? La relation pour calculer la poussée d'archimède est : A = ρ x V x g où «A» est la poussée d'archimède en N, «ρ» est la masse volumique d'air extérieur en kg/l, «V» le volume d'air déplacé en l, «g» l'intensité de pesanteur de la Terre en N/kg. Pour utiliser cette relation, il faut remplacer ρ par sa valeur qui est, après mesure, 1,3g/l soit 0,0013kg/l. V par sa valeur qui est de l pour cette montgolfière. g par sa valeur qui est 10N/kg pour la Terre. Et multiplier. Ce qui donne A = 0,0013 x x 10 = N La poussée d'archimède est supérieure au poids : la montgolfière s'envole! Comment mesure-t-on la masse volumique de l'air? Nous devons donc réaliser une expérience permettant de mesurer la masse d'un litre d'air à température ambiante. Il nous faut donc peser une masse en utilisant une balance et en éliminant les récipients éventuels. Il faut aussi s'assurer que le volume d'air soit bien de un litre. Protocole expérimental Afin de mesurer la masse d un litre d air, nous allons réaliser l expérience suivante : 1) peser un ballon repli d air à l aide d une balance électronique et noter sa masse. 2) placer une bouteille remplie d eau retournée sur une cuve à eau. Vider 1,5 L d air du ballon dans la bouteille à l aide d un tuyau. 3) Peser à nouveau la ballon moins rempli d air et noter sa nouvelle masse m 2. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 6/9

7 Le volume d air enlevé est 1,5L. La masse d 1,5L d air est : = 2g A l aide d un produit en croix, on peut calculer la masse d'un litre d'air. 1,5 L => 2g 1L =>?g donc? = 1x2 / 1,5 = 1,3 g. La masse d un litre d air est 1,3 g. Pour un air à température ambiante, la masse volumique est : ρ = 1,3 g/l Remarque : avec de l'air chaud à 100 C, la masse volumique est : ρ = 0,9 g/l Maintenant, je sais : * la masse volumique de l'air à température ambiante : 1,3g/l * une force est une action mécanique entre deux corps. * l'unité d'une force est le Newton. * le poids est le nom donné à la gravité terrestre. Maintenant, je sais faire : * représenter une force par une flèche. * calculer le poids en utilisant la relation : P = ρ x V x g * mesurer de masse volumique d'un gaz. 3. Comment expliquer que l'air chaud soit plus léger que l'air froid? Rappelons que si l'air a une masse, c'est qu'il est composé de matière et donc de molécules. Si l'air chaud est plus léger que l'air froid, c'est donc que l'air chaud possède moins de molécules que l'air froid : la densité d'air chaud est plus faible que la densité d'air froid. En fait, lorsque la température augmente, les molécules s'agitent de plus en plus car elles reçoivent de l'énergie thermique par chauffage. Elles vont donc plus vite. Elles s'éloignent davantage les unes des autres. La densité de molécule diminue. air froid : 8+2 on chauffe : air chaud : les molécules s'éloignent les unes des autres Il y a moins de molécules pour un même volume : la densité diminue, la masse volumique diminue. Remarque : c'est ainsi que fonctionnent les lanternes japonaises volantes. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 7/9

8 4. Comment expliquer qu'une montgolfière remplie de dioxyde de carbone ne s'envole pas? Hypothèse : je pense que la masse volumique du dioxyde de carbone est trop grande. Expérience de validation Schéma du déroulement de l expérience : Situation Initiale Agent Situation Finale Modificateur Ballon rempli de CO2 J enlève 0,5L de CO2 par déplacement d eau g g Observation des résultats obtenus : Je mesure la masse initiale mi = 350,5 g Je mesure la masse finale mf = 349,6 g Calcul : on a enlevé 0,5L de CO2 qui pèse : 350,5-349,6 = 0,9g Calcul : 1L de CO2 pèse : 0,9 x 2 = 1,8g Conclusion de l expérience : La masse volumique du CO2 est de 1,8g/l. Calculons le poids de cette montgolfière : P = ρ x V x g où «P» est le poids en N, «ρ» est la masse volumique d'air intérieur en kg/l, «V» le volume d'air intérieur en l, «g» l'intensité de pesanteur de la Terre en N/kg. Pour utiliser cette relation, il faut remplacer ρ par sa valeur qui est, après mesure, 1,8g/l soit 0,0018kg/l V par sa valeur qui est de l pour cette montgolfière. g par sa valeur qui est 10 N/kg pour la Terre Et multiplier. Ce qui donne P = 0,0018 x x 10 = 39,600 N! La poussée d'archimède est de N. La montgolfière ne décolle pas! Gaz Remarque : avec d'autres gaz, cela donnerait : Masse volumique Poids de la montgolfière Décolle/ décolle pas? Butane, C4H10 2,71g/l P = N non Dihydrogène, H2 0,09g/l P = 1980 N oui Hélium, He 0,17g/l P = 3740 N oui Le zeppelin allemand était rempli de dihydrogène. Mais, le dihydrogène est hautement explosif. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 8/9

9 5. Comment fonctionne une fusée à eau? Comme toutes les fusées, la fusée à eau est basée sur le principe d'action réaction. Dans ce cas particulier, c'est l'eau propulsée par l'air sous pression qui sert à faire décoller la fusée. Dans un réservoir constitué le plus souvent d'une simple bouteille en plastique, on verse de l'eau et on injecte de l'air à l'aide d'une pompe (typiquement, une pompe à vélo). L'air éjecte l'eau hors de la bouteille et vers le bas, ce qui propulse la fusée vers le haut. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 9/9