6.1 : Théorie cinétique moléculaire : Un modèle pour les gaz

Pression des gaz

Le mouvement aléatoire constant des molécules de gaz les fait entrer en collision entre elles et avec les parois de leur récipient. Ces collisions des molécules de gaz avec leur environnement exercent une pression sur ce dernier. Lorsque vous gonflez un ballon, les particules d’air à l’intérieur du ballon poussent contre les parois élastiques, les parois du ballon sont poussées vers l’extérieur et restent fermes. Cette pression est produite par les molécules d’air qui martèlent les parois intérieures du ballon.

Il existe trois unités de pression couramment utilisées en chimie. La pression est couramment mesurée sur un appareil appelé monomètre, similaire au baromètre qu’utilise un météorologue. Les pressions dans les monomètres sont généralement enregistrées en unités de millimètres de mercure, abrégées en \(\text{mm} \ : \ce{Hg}\). La pression est définie comme la force exercée divisée par la surface sur laquelle la force est exercée.

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Les molécules d’air de notre atmosphère exercent une pression sur toute surface qui est en contact avec l’air. La pression de notre atmosphère au niveau de la mer est d’environ \(15 \ : \text{lbs/in}^2\). Cette pression passe inaperçue, car l’air n’est pas seulement à l’extérieur des surfaces mais aussi à l’intérieur, ce qui permet d’équilibrer la pression atmosphérique. En revanche, la pression exercée par notre atmosphère sera rapidement remarquée si l’air est retiré ou réduit à l’intérieur d’un objet. Une démonstration courante de la pression de l’air se fait à l’aide d’une boîte métallique d’un gallon. Quelques gouttes d’eau sont placées à l’intérieur de la boîte, qui est ensuite chauffée jusqu’à ébullition. L’eau contenue dans la boîte se vaporise et se dilate pour remplir la boîte, repoussant l’air à l’extérieur. Le couvercle est ensuite fermé hermétiquement sur la boîte. Lorsque la boîte refroidit, la vapeur d’eau se condense pour redevenir de l’eau liquide, laissant l’intérieur de la boîte sans molécules d’air. Comme la vapeur d’eau se condense en eau liquide, la pression de l’air à l’extérieur de la canette écrase lentement la canette à plat.

Les gens, bien sûr, ont également la pression atmosphérique qui les presse. Une personne de taille moyenne a probablement une force totale exercée sur elle par l’atmosphère de plus de 25 000 livres. Heureusement, les gens ont aussi de l’air à l’intérieur d’eux pour équilibrer cette force. Un dispositif permettant de mesurer la pression atmosphérique, le baromètre, a été inventé en 1643 par un scientifique italien du nom d’Evangelista Torricelli (1608 – 1647), qui avait été l’élève de Galilée. Le baromètre de Torricelli a été construit en remplissant un tube de verre, ouvert à une extrémité et fermé à l’autre, avec du mercure liquide, puis en renversant le tube dans un plat de mercure.

Le mercure dans le tube est tombé à une hauteur telle que la différence entre la surface du mercure dans le plat et le sommet de la colonne de mercure dans le tube était de 760 millimètres. Le volume d’espace vide au-dessus du mercure dans le tube était un vide. La raison pour laquelle le mercure reste dans le tube est qu’il n’y a pas de molécules d’air qui frappent le haut du mercure dans le tube. Le poids du mercure dans le tube divisé par la surface de l’ouverture du tube est exactement égal à la pression atmosphérique.

La hauteur à laquelle le mercure est maintenu ne serait que de 760 millimètres lorsque la pression atmosphérique est normale et au niveau de la mer. La pression atmosphérique change en raison des conditions météorologiques et la hauteur du mercure dans le baromètre changera avec elle. La pression atmosphérique varie également en fonction de l’altitude. En haute altitude, la pression atmosphérique est plus faible car l’air est plus « fin », c’est-à-dire qu’il y a moins de molécules d’air par unité de volume. En montagne, à une altitude de 9600 pieds, la pression atmosphérique normale ne supportera qu’une colonne de mercure de \(520 \ : \text{mm} \ : \ce{Hg}\).

Pour diverses raisons, la chimie dispose de nombreuses unités différentes pour mesurer et exprimer la pression des gaz. Vous devrez vous familiariser avec la plupart d’entre elles afin de pouvoir les convertir en unités préférées. Comme les instruments de mesure de la pression contiennent souvent une colonne de mercure, les unités de pression les plus couramment utilisées sont basées sur la hauteur de la colonne de mercure que le gaz peut supporter. L’unité originale en chimie pour la pression des gaz était \(\text{mm} \ : \ce{Hg}\) (millimètres de mercure). La pression atmosphérique standard au niveau de la mer est de \(760 \ : \text{mm} \ : \ce{Hg}\). Cette unité pose un problème car, bien qu’il s’agisse d’une unité de pression, elle ressemble beaucoup à une unité de longueur. Les étudiants, en particulier, omettent parfois le \(\ce{Hg}\) et l’unité semble alors être une unité de longueur. Pour éliminer ce problème, l’unité a reçu un autre nom. Elle a été appelée \(\text{torr}\) en l’honneur de Torricelli. \(760 \ : \text{torr}\) est exactement la même chose que \(760 \ : \text{mm} \ : \ce{Hg}\). Pour certains travaux, il est devenu pratique d’exprimer la pression des gaz en termes de multiples de la pression atmosphérique normale au niveau de la mer et c’est ainsi que l’unité atmosphère \(\left( \text{atm} \right)\) a été introduite. Les conversions que vous devez connaître entre les différentes unités de pression sont :

Cet exemple montre comment effectuer cette conversion en utilisant l’analyse dimensionnelle. Si vous mémorisez le type, vous pouvez juste mémoriser que pour convertir de \(\text{mm} \ : \ce{Hg}\) à \(\text{atm}\) vous devez diviser par 760.