Les lois simples des gaz :

SECTION 2.4.3 Notes pédagogiques 2.4.3 1/4 Les lois simples des gaz : Manuel, p. 85 à 87 Apprentissage notionnel visé La loi de Gay-Lussac. Rappel La pression (manuel, p. 33). Fiche DÉMO 8 2.4.3, p. 59 Fiche SAVOIRS 2.4.3, p. 60 Transparent 11 DÉMO 8 La relation entre la pression et la température d un gaz But Déterminer l effet de la température sur la pression d un gaz. Organisation de l enseignement En groupe classe et individuellement 45 minutes Fiche DÉMO 8 2.4.3, p. 59 Matériel Pour le groupe classe Un baromètre Un thermomètre Un appareil à démonstration du zéro absolu Trois béchers de 2 L Des glaçons De l eau du robinet De l eau bouillante Déroulement Démarche Démarche de modélisation. Stratégies Inventorier le plus grand nombre possible d informations scientifiques et contextuelles éventuellement utiles pour cerner un problème ou prévoir des tendances. Explorer diverses pistes de solution. Attitudes Curiosité. Écoute. Rappeler aux élèves les quatre variables qui permettent de décrire les gaz: la pression, le volume, la température absolue et la quantité de gaz. Expliquer aux élèves que si on étudie ces quatre variables à la fois, on ne peut établir clairement la relation qui existe entre elles. C est pourquoi il est plus utile d étudier ces variables deux à la fois, comme de nombreux scientifiques l ont fait à partir du XVII e siècle, en s assurant de maintenir les deux autres variables constantes. Dire aux élèves que pour l étude de ce concept, les variables qui seront maintenues constantes sont la température et la pression. Expliquer aux élèves que la prochaine activité leur permettra d établir une loi simple exprimant la relation entre la température et la pression. Dire aux élèves que cette loi simple des gaz sera ensuite intégrée à la loi de Boyle-Mariotte telle qu elle a été vue au LABO 5, à la DÉMO 6 et au LABO 7. Les autres lois simples seront étudiées au LABO 9, à la DÉMO 10 et au LABO 11, puis combinées pour former la loi des gaz parfaits. Remarque La distinction plus exhaustive entre un gaz parfait et un gaz réel à la lumière de la théorie cinétique des gaz sera faite à la section 2.5, à la page 80 du présent guide. Au besoin, l expliquer aux élèves dès maintenant. Réactiver les connaissances des élèves sur en leur posant des questions du type : Pourquoi y a-t-il une valve de sécurité sur les chauffe-eau domestiques? (Voir la figure 1 à la page 10 de la fiche SAVOIRS 2.1.) Comment se fait-il que les aliments cuisent plus rapidement dans un autocuiseur? Reproduction interdite Chenelière Éducation inc. QUANTUM Chimie Chapitre 2 Section 2.4.3 55

Notes pédagogiques 2.4.3 2/4 Pourquoi les bouteilles aérosol comportentelles l avertissement «produit explosif si chauffé»? Distribuer la fiche DÉMO 8 2.4.3. Présenter l appareil à démonstration du zéro absolu aux élèves en décrivant ses différentes composantes. Un volume fixe de gaz se trouve à l intérieur de la boule métallique et le manomètre à cadran permet de lire sa pression. La pression lue par ce manomètre est la pression absolue et est exprimée sans unité de mesure. Dire aux élèves que, comme la loi de Charles l a prouvé à la section 2.4.2, il faut tenir compte de la température en kelvins (K) et non en degrés Celsius ( C). Expliquer aux élèves que pour les besoins des calculs, la valeur réelle du zéro absolu, 273,15 C, est arrondie à 273 C et que la conversion des degrés Celsius en kelvins se fait à l aide du facteur de conversion T C 273. Réaliser le montage de la figure 1 en exécutant les étapes suivantes. 1 Prendre la pression atmosphérique et la température ambiantes de la classe à l aide du baromètre et du thermomètre et demander aux élèves de noter ces mesures dans le tableau 1 de la question 1 de la fiche DÉMO 8 2.4.3. 2 Pour déterminer l équivalence des mesures de pression absolue en kilopascals (kpa), ouvrir la valve de la boule pour que le gaz qui y est contenu s équilibre avec la pression atmosphérique ambiante. Demander aux élèves de noter la pression indiquée sur le manomètre dans le tableau 1. Une fois cette équivalence trouvée, les élèves pourront l utiliser pour convertir en kilopascals les mesures qui seront prises en pression absolue, comme le montre l exemple 1. Exemple 1 À combien de kilopascals (kpa) correspond une pression finale de 19 si une pression initiale équivalente à 15 correspond à 101,3 kpa? 101,3 kpa? 15 19 101,3 kpa? 19 128,31 kpa 15 La pression finale équivaut à 128,3 kpa. 3 4 5 6 Déposer des glaçons et de l eau du robinet dans le bécher 1, de façon à ce qu il soit rempli environ aux deux tiers, et y mettre le thermomètre. Remarque Pour les trois béchers, s assurer qu il y a assez d eau pour immerger la boule de métal de l appareil. Appareil à démonstration du zéro absolu Figure 1 Plonger la boule de l appareil dans le bécher 1 et attendre environ 30 secondes avant de prendre la mesure de la pression afin de s assurer que le gaz a atteint la température de l eau. Lire la mesure de la pression sur le manomètre et la température de l eau sur le thermomètre, et demander aux élèves de noter les résultats dans le tableau 1. Déposer 1 L d eau bouillante dans le bécher 2 et y mettre le thermomètre. Ajouter de l eau provenant du bécher 1 jusqu à ce que la température de l eau du bécher atteigne 50 C et que le bécher soit rempli environ aux deux tiers. Plonger la boule de l appareil dans le bécher 2 et attendre environ 30 secondes avant de prendre la mesure de la pression afin de s assurer que le gaz a atteint la température de l eau. Lire la mesure de la pression sur le manomètre et la température de l eau sur le thermomètre, et demander aux élèves de noter les résultats dans le tableau 1. Bécher 1 Eau du robinet et glaçons Thermomètre Bécher 2 Eau à 50 C Le montage de la démonstration. Bécher 3 Eau bouillante 56 QUANTUM Chimie Chapitre 2 Section 2.4.3 Reproduction interdite Chenelière Éducation inc.

Notes pédagogiques 2.4.3 3/4 7 Déposer de l eau bouillante dans le bécher 3, de façon à ce qu il soit rempli environ aux deux tiers, et y mettre le thermomètre. 8 Plonger la boule de l appareil dans le bécher 3 et attendre environ 30 secondes avant de prendre la mesure de la pression afin de s assurer que le gaz a atteint la température de l eau. Lire la mesure de la pression sur le manomètre et la température de l eau sur le thermomètre, et demander aux élèves de noter les résultats dans le tableau 1. Demander aux élèves de remplir le tableau 1 de la question 1 en convertissant les mesures de température en kelvins et les mesures de pression en kilopascals à l aide des facteurs de conversion appropriés. Questionner les élèves sur la variable dépendante et la variable indépendante de cette démonstration ainsi que sur leur unité de mesure. Comme la pression change en fonction de la température choisie, la variable dépendante est la pression, mesurée en kilopascals, et la variable indépendante est la température, mesurée en kelvins. Demander aux élèves de répondre aux questions 2 à 5 et d utiliser une feuille millimétrique pour construire leur graphique. En groupe classe, inviter les élèves à mettre en commun leurs réponses aux questions 4 et 5. S assurer que les élèves comprennent que, à volume constant, le quotient de la pression et de la température absolue d un gaz est constant, c est-à-dire que la pression exercée par une quantité donnée de gaz est directement proportionnelle à sa température et vice versa. ACQUISITION DE CONNAISSANCES Buts Connaître l expression mathématique de la loi de Gay-Lussac. Comprendre comment la température influence la pression d un gaz. Appliquer la loi de Gay-Lussac à la résolution de problèmes. Expliquer la loi de Gay-Lussac à l aide de la théorie cinétique des gaz. Organisation de l enseignement En groupe classe et individuellement 30 minutes Fiche SAVOIRS 2.4.3, p. 60 Transparent 11 Déroulement Démarche Démarche de modélisation. Stratégies Inventorier le plus grand nombre possible d informations scientifiques et contextuelles éventuellement utiles pour cerner un problème ou prévoir des tendances. Attitudes Sens du travail méthodique. Écoute. Rappeler aux élèves que, comme ils ont pu le constater au cours de la DÉMO 8, à volume constant, la pression d un échantillon de gaz est directement proportionnelle à sa température absolue. Ainsi, plus on augmente la température d un gaz, plus sa pression augmente et vice versa. Inviter les élèves à consulter la figure 48 à la page 85 du manuel ou leur présenter le transparent 11 pour qu ils se représentent bien la variation de la pression en fonction de la température. Expliquer aux élèves la signification du symbole de proportionnalité ( ) et leur dire que, mathématiquement, on peut enlever ce symbole et le remplacer par un signe d égalité (=) si on intègre une constante de proportionnalité dans la relation. Ainsi, le quotient de la pression et de la température est égal à une constante de proportionnalité, k c. Faire remarquer aux élèves que l indice «c» est placé en exposant du symbole k pour différencier cette constante de celles des autres lois simples des gaz, qui ont été et seront étudiées au cours de la section 2.4. Dire aux élèves que la valeur de cette constante diffère selon le nombre de moles de gaz et le volume. Reproduction interdite Chenelière Éducation inc. QUANTUM Chimie Chapitre 2 Section 2.4.3 57

Notes pédagogiques 2.4.3 4/4 Expliquer aux élèves que cette valeur ne change pas lorsque deux ensembles de mesures sont effectués sur le même échantillon de gaz dans les mêmes conditions. Montrer que le quotient de la pression initiale et de la température initiale est égal au quotient de la pression finale et de la température finale, et qu il correspond à la même valeur, soit la constante de proportionnalité k c, comme le montre l encadré du haut de la page 86 du manuel. Au besoin, utiliser deux ensembles de mesures (parmi les résultats compilés sur la fiche DÉMO 8 semblable pour montrer l équivalence. Écrire la loi de Gay-Lussac au tableau. 2.4.3 ) dont le quotient est très P 1 P 2 T 1 T 2 Rappeler aux élèves la signification des indices 1 (situation initiale) et 2 (situation finale) ainsi que les unités de mesure (kpa ou mm Hg et K). Expliquer aux élèves que, dans le cas où il y a une situation initiale et une situation finale, les unités de mesure de la pression peuvent être exprimées de plusieurs façons, mais que la température doit absolument être exprimée en kelvins pour que la loi puisse s appliquer. Préciser qu il est important d harmoniser les unités des valeurs initiales à celles des valeurs finales pour que le calcul soit valable. Ainsi, si la pression initiale est exprimée en kilopascals (kpa), la pression finale doit aussi être exprimée en kilopascals pour que la loi soit valable. Inviter les élèves à consulter l exemple de résolution de problème à la page 87 du manuel. Inviter les élèves à consulter l encadré Lien avec la théorie cinétique des gaz à la page 87 du manuel. Expliquer la loi de Gay-Lussac à l aide de la théorie cinétique des gaz en consultant, au besoin, l encadré à la page 61 du manuel. Demander aux élèves de lire la capsule Info science, La cuisson sous pression, à la page 87 du manuel, qui présente un objet de la vie courante conçu pour mettre à profit la loi de Gay-Lussac. Distribuer la fiche SAVOIRS 2.4.3 et demander aux élèves de répondre individuellement aux questions pour consolider leurs apprentissages. Leur signaler que les pages 85 à 87 du manuel leur seront utiles pour répondre aux questions. Corriger la fiche en classe. Inviter les élèves à répondre aux questions de la rubrique Pour faire le point sur la section 2.4.3 à la page 98 du manuel. Au besoin, inviter les élèves à répondre aux questions pertinentes de la rubrique Pour faire le point sur le chapitre 2 aux pages 119 à 123 du manuel. 58 QUANTUM Chimie Chapitre 2 Section 2.4.3 Reproduction interdite Chenelière Éducation inc.

NOM : GROUPE : DATE : Fiche DÉMO 8 2.4.3 1/1 SECTION 2.4.3 Les lois simples des gaz : Manuel, p. 85 à 87 DÉMO 8 La relation entre la pression et la température d un gaz 1. Inscrivez les résultats obtenus dans le tableau 1, puis calculez le quotient demandé à la dernière colonne. TABLEAU 1 Influence de la température absolue sur la pression d un gaz Milieu de l appareil T P P/T (kpa/k) ( C) (K) absolue (kpa) Air ambiant Bécher 1 Bécher 2 Bécher 3 2. Sur une feuille millimétrique, construisez le graphique de la pression d un gaz en fonction de sa température absolue. Tracez la droite la mieux ajustée, puis prolongez-la vers la gauche, par extrapolation, jusqu à ce que la pression devienne théoriquement nulle. 3. Comparez la valeur du zéro absolu trouvée par Gay-Lussac à celle que vous venez d extrapoler. 4. D après la forme de la courbe obtenue sur le graphique, qu arrive-t-il à la pression d un gaz lorsque sa température absolue augmente? 5. Comparez les valeurs des quotients P/T pour chaque donnée recueillie et expliquez les résultats obtenus. 6. Quelle est la plus simple expression mathématique pour décrire la courbe du graphique obtenu? Énoncez également cette expression sous forme littérale. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. QUANTUM Chimie Chapitre 2 Section 2.4.3 59

NOM : GROUPE : DATE : Fiche SAVOIRS 2.4.3 1/1 SECTION 2.4.3 Les lois simples des gaz : Manuel, p. 85 à 87 1. Un gaz est confiné dans un contenant de volume fixe à température constante. D après la loi de Gay-Lussac, qu arrive-t-il à la pression du gaz si sa température passe de 100 K à 200 K? 2. Expliquez, à l aide de la théorie cinétique des gaz, ce qui cause l augmentation de la pression d un gaz lorsqu il est chauffé. 3. Les fabricants d automobiles recommandent de vérifier la pression des pneus à froid, c està-dire lorsque la voiture n a pas roulé depuis plusieurs heures. Quel problème pourrait survenir si l on ajustait la pression des pneus à la valeur recommandée après une longue promenade en voiture? Expliquez votre réponse à l aide de la loi de Gay-Lussac. 4. Un certain contenant de verre peut supporter une pression interne de seulement 195 kpa avant d éclater. Le contenant est rempli de gaz à une pression de 96,7 kpa à 19,5 C. À partir de quelle température le contenant éclatera-t-il? Réponse : 60 QUANTUM Chimie Chapitre 2 Section 2.4.3 Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc.