Composition de l'air

Composition de l’air

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L’air: définition

Définition: l’air est le mélange gazeux qui constitue l’atmosphère terrestre
En d’autre termes l’air est le gaz qui nous entoure et qui enveloppe notre planète.

Quelques confusions et erreurs concernant l’air

  • “air” n’est pas synonyme de “gaz” ( l’air est un gaz ou pour être plus précis un mélange de gaz mais un gaz n’est pas forcément de l’air).
  • d’autres astres que la Terre peuvent posséder une atmosphère (Mars, Vénus, Titan…) mais le gaz qui les constitue n’est pas de l’air, il a une composition différente. Le terme “air” n’est utilisé que pour l’atmosphère de la Terre.
  • “air” n’est pas synonyme de “dioxygène” ou de “oxygène”. L’air contient effectivement du dioxygène mais ce dernier n’en n’est pas l’unique constituant. Les terme “air” et “dioxygène” ne sont donc pas interchangeables.
  • L’air n’est pas du vide. Le vide est pas définition une absence totale de matière par conséquent l’air (ainsi que tout autre gaz) ne correspond à du vide puisqu’il comporte des molécules.

Les composants de l’air

Les deux composants majoritaires de l’air sont:

  • Le diazote (N2)
  • Le dioxygène (O2)

L’air est également composé de vapeur d’eau et d’autres gaz en proportions très faibles par rapport au dioxygène et au diazote:

  • L’argon (Ar)
  • Le dioxyde de carbone (CO2)
  • Le néon (Ne)
  • Le méthane (CH4)
  • Le dihydrogène (H2)
  • L’ hélium (He)
  • Le krypton (Kr)
  • Le xénon (Xe)

L’air comporte aussi des traces de différents gaz en proportions variables:

  • L’ozone (O3)
  • Le monoxyde de carbone (CO)
  • Le dioxyde de soufre (SO2)
  • Le dioxyde d’azote (N2)
  • L’ammoniac (NH3)

En plus des différents gaz cités l’air véhicule aussi:

  • des particules et microparticules liquides (d’eau..)
  • des particules et microparticules minérales (glace, poussières, cendres…)
  • des micro-organismes (spores, bactéries..)
  • des gaz polluants issus d’activités humaines (gaz d’échappements) ou naturelles (comme le volcanisme, les incendies)

Composition volumique approchée de l’air

Etant donné que le dioxygène et le diazote sont largement majoritaires on peut décrire l’air de manière simplifiée comme un mélange se limitant à ces deux composants.

Il en résulte la composition approchée de l’air suivante (celle que les programmes de seconde demandent de connaître):

  • 80% de diazote
  • 20% de dioxygène

On peut aussi exprimer cette composition approchée sous forme de fraction, L’air est composé de:

  • quatre cinquième de diazote
  • un cinquième de dioxygène.

Sous forme graphique:

Composition simplifiée de l’air

Remarque
Pour les gaz, le volume est proportionnel au nombre de molécules par conséquent on peut également dire que:

  • L’air est composé de 80% de molécules de diazote et de 20% de molécules de dioxygène
  • quatre cinquième des molécules d’air sont des molécules de diazote et un cinquième des molécules d’air sont des molécules de dioxygène.

Composition volumique précise de l’air

La composition suivante est donnée pour un air sec car l’air contient une proportion variable de vapeur d’eau qui est comprise entre 0,1% et 5% (source: Météo France http://www.meteofrance.fr/prevoir-le-temps/observer-le-temps/parametres-observes/humidite )

gaz

Formule chimique

Pourcentage volumique
Diazote

N2

78,084
Dioxygène

O2

20,9476
Argon

Ar

0,934000
Dioxyde de carbone

CO2

0,0350
Néon

Ne

0,001818
Hélium

He

0,000524
Méthane

CH4

0,00017
Krypton

Kr

0,000114
Dihydrogène

H2

0,000053
Xénon

Xe

0,0000087
Ozone

O3

traces (au maximum 0,0008)
Monoxyde de carbone

CO

traces (au maximum 0.000025 )
Dioxyde de soufre

SO2

traces (au maximum 0.00001)
Dioxyde d’azote

NO2

traces (au maximum 0.000002)
Ammoniac

NH3

traces (au maximum 0.0000003)

Source de ces valeurs: https://eesc.columbia.edu/courses/ees/slides/climate/table_1.html

Calculer le volume des constituants de l’air

Pour déterminer le volume de diazote V(N2) ou de dioxygène V(O2) composant un volume d’air V(air) donné on peut exploiter la composition approchée de l’air (Pourcentage volumique ou fraction)

Latex formula                         

Ce qui revient à la relation V(N2) = V(air) x 0,80

Latex formula

Ce qui revient à la relation V(O2) = V(air) x 0,20

Exemples
640 litre d’air est composé de:
640 x 0,80 = 512 litres de diazote
640 x 0,20 = 128 litres de dioxygène

152 m3 d’air est composé de:
152 x 0,80 = 121,6 m3 de diazote
152 x 0,20 = 30,4 m3 de dioxygène

L’humidité de l’air

L’air comporte une proportion variable de vapeur d’eau exprimée à l’aide d’une grandeur appelée “humidité”.
On distingue l’humidité relative et l’humidité absolue:

  • L’humidité relative est le pourcentage de vapeur d’eau présente dans l’air exprimée par rapport à la proportion maximale de vapeur d’eau que cet air pourrait contenir à la même température.
    Exemples
    si l’ humidité relative est de 100% alors l’ air est saturé en vapeur d’eau, il en contient le Pourcentage volumique maximal.
    Si l’humidité relative est de 50% alors l’air contient un Pourcentage volumique d’air qui correspond à la moitié du Pourcentage volumique maximal.
  • L’humidité absolue correspond au pourcentage massique de vapeur présente dans l’air (exprimé en kilogramme par mètre cube)

Variations de la composition de l’air avec l’altitude

  • 0 km – 100 km
    La composition volumique de l’air reste stable sur centaine de kilomètre, jusqu’à environ cent kilomètres d’altitude l’air reste composé:
    d’environ 80% de diazote (N2)
    d’environ 20% de dioxygène (O2)
  • 100 km – 310 km
    Au delà de cent kilomètres le pourcentage du diazote et du dioxygène diminue tandis que celui de l’oxygène atomique (atomes d’oxygènes isolés) augmente progressivement jusqu’à atteindre un maximum (proche de 85%) vers 310 km d’altitude.
  • 310 km – 460 km
    à partir de 310 km la proportion d’oxygène atomique diminue tandis que celle d’hélium jusqu’à ce que leurs poucentages volumique soient équivalent à environ 460 km.
  • 460 km – 1000 km
    à partir de 460 km l’hélium est le principal constituant de l’atmosphère terrestre, la proportion d’oxygène atomique décroit tandis que la proportion d’hydrogène atomique augmente.
Composition de l’air en fonction de l’altitude

Les polluants de l’air

On considère comme polluante toute activité humaine ou naturelle qui introduit dans l’air de nouveaux composés ou fait varier les proportions des espèces chimiques qui y sont déjà présentes.

Les polluants polluants peuvent se présenter sous différentes formes: particules solides, liquides, poussières, gaz, micro-organismes, spores…

Les principaux polluant sont les oxydes d’azote et de soufre (à l’origine des pluies acides), le méthane et le dioxyde de carbone (à l’origine de l’augmentation de l’effet de serre),

Evolution de la composition de l’air

Au cours de l’histoire de la Terre la composition de l’air a évolué sous l’effet de phénomènes géologiques chimiques et biologiques pour aboutir à la composition actuelle.

La Terre primitive possédait une atmosphère dont la composition était proche de celle de la nébuleuse au sein de laquelle elle s’est formée, elle était vraisemblablement constituée des mêmes gaz que ceux présents dans les géantes gazeuses, principalement de la vapeur d’eau, du méthane et de l’ammoniaque.

Le volcanisme et le bombardement météoritique intense sont venu modifier cette atmosphère primitive qui s’est progressivement enrichit en dioxyde de carbone et surtout en diazote.

Les première formes de vie ont produit, grâce à la photosynthèse, du dioxygène et ont consommé du dioxyde de carbone. Le dioxygène est pourtant resté longtemps absent de l’air car il était immédiatement consommé par des réactions d’oxydation des matériaux présents dans la croute terrestre (en particulier le fer). Lorsque la majorité des ces matériaux furent oxydés le dioxygène issu de la photosynthèse est venu enrichir l’atmosphère et a constitué l’un des principaux composant de l’air (avec le diazote).