ChimieFiche 7 · Loi des gaz
Chimie · Synthèse · Fiche 7

Loi des gaz

Du gaz parfait aux pressions partielles — fiche de révision condensée.

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À maîtriser

  • les quatre variables d'état p,V,n,Tp,V,n,T et leurs unités ;
  • les trois lois historiques : Boyle-Mariotte, Charles–Gay-Lussac, Avogadro ;
  • l'équation d'état pV=nRTpV=nRT et le bon choix de RR ;
  • masse volumique, masse molaire, densité ;
  • le volume molaire 22,4 L/mol22{,}4\,\mathrm{L}/\mathrm{mol} aux CNTP ;
  • les mélanges gazeux : loi de Dalton, fraction molaire.

1L'état gazeux : les quatre variables

Définition1.1gaz parfait et variables d'état

Un gaz occupe tout le volume disponible. Il est décrit par quatre variables d'état : pression pp, volume VV, quantité de matière nn (avec n=m/Mn=m/M), température TT. Un gaz parfait est un gaz idéalisé (molécules ponctuelles, sans interaction, chocs élastiques) ; sauf mention contraire, tous les gaz de cette fiche sont supposés parfaits.

Unité de pressionSymboleÉquivalence
pascalPa\mathrm{Pa}unité SI
barbar\mathrm{bar}1 bar=105 Pa1\,\mathrm{bar}=10^{5}\,\mathrm{Pa}
atmosphèreatm\mathrm{atm}1 atm=101325 Pa1,013 bar1\,\mathrm{atm}=101325\,\mathrm{Pa}\approx1{,}013\,\mathrm{bar}
mmHgmmHg\mathrm{mmHg}1 atm=760 mmHg1\,\mathrm{atm}=760\,\mathrm{mmHg}
Formule1.1conversion Celsius \leftrightarrow Kelvin
T(K)=θ(degreeCelsius)+273,15\boxed{\,T(\mathrm{K}) = \theta(\mathrm{degreeCelsius}) + 273{,}15\,}

Volume : 1 L=103 m3=1000 mL1\,\mathrm{L}=10^{-3}\,\mathrm{m}^{3}=1000\,\mathrm{mL}, 1 m3=1000 L1\,\mathrm{m}^{3}=1000\,\mathrm{L}.

Attention

Toujours convertir TT en kelvins avant tout calcul et tout rapport T2/T1T_2/T_1 : θ=27 degreeCelsiusT=300 K\theta=27\,\mathrm{degreeCelsius}\Rightarrow T=300\,\mathrm{K} (jamais 2727). Un rapport calculé en degrés Celsius est faux.

2Les trois lois historiques

LoiFixéVarieRelation
Boyle-Mariotten, Tn,\ Tp, Vp,\ VpV=cstepV=\text{cste}
Charles–Gay-Lussacn, pn,\ pV, TV,\ TV/T=csteV/T=\text{cste}
Avogadrop, Tp,\ TV, nV,\ nV/n=csteV/n=\text{cste}
Propriété2.1Boyle-Mariotte — isotherme, n,Tn,T constants
p1V1=p2V2\boxed{\,p_1V_1 = p_2V_2\,}
Exemple

p1=1 atmp_1=1\,\mathrm{atm}, V1=24 LV_1=24\,\mathrm{L}, p2=3 atmp_2=3\,\mathrm{atm} \Rightarrow V2=p1V1/p2=8 LV_2=p_1V_1/p_2=8\,\mathrm{L}.

Propriété2.2Charles–Gay-Lussac — isobare, n,pn,p constants
V1T1=V2T2\boxed{\,\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}\,}
Remarquevariante isochore

VV constant p1/T1=p2/T2\Rightarrow p_1/T_1=p_2/T_2 (déduit de pV=nRTpV=nRT) : c'est ce qui fait monter la pression d'un pneu qui chauffe.

Exemple

V1=2,0 LV_1=2{,}0\,\mathrm{L} à T1=300 KT_1=300\,\mathrm{K}, T2=360 KT_2=360\,\mathrm{K} \Rightarrow V2=V1T2/T1=2,4 LV_2=V_1T_2/T_1=2{,}4\,\mathrm{L}.

Propriété2.3Avogadro — p,Tp,T constants
V1n1=V2n2\boxed{\,\frac{V_1}{n_1}=\frac{V_2}{n_2}\,}

Des volumes égaux de gaz, dans les mêmes conditions de pp et TT, contiennent le même nombre de molécules — quelle que soit la nature du gaz.

3Équation d'état des gaz parfaits pV=nRTpV=nRTpV=nRT

Formule3.1loi des gaz parfaits
p×V=n×R×T\boxed{\,p\times V = n\times R\times T\,}
où :
  • pp, VV : pression et volume, dans des unités cohérentes avec RR ;
  • nn : quantité de matière (mol\mathrm{mol}) ; TT : température absolue, toujours en K\mathrm{K}.
Valeur de RRpp enVV enTT en
8,314 J/molK8{,}314\,\mathrm{J}/\mathrm{mol}\mathrm{K}Pa\mathrm{Pa}m3\mathrm{m}^{3}K\mathrm{K}
8,314 kPaL/molK8{,}314\,\mathrm{kPa}\mathrm{L}/\mathrm{mol}\mathrm{K}kPa\mathrm{kPa}L\mathrm{L}K\mathrm{K}
0,082 atmL/molK0{,}082\,\mathrm{atm}\mathrm{L}/\mathrm{mol}\mathrm{K}atm\mathrm{atm}L\mathrm{L}K\mathrm{K}
Attention

Ne jamais panacher R=0,082R=0{,}082 (atm\mathrm{atm},L\mathrm{L}) avec une pression en pascals : choisir une ligne du tableau et s'y tenir.

Réarrangements utiles :

n=pVRT,p=nRTV,V=nRTp,T=pVnR.n=\frac{pV}{RT}, \qquad p=\frac{nRT}{V}, \qquad V=\frac{nRT}{p}, \qquad T=\frac{pV}{nR}.
Définition3.1CNTP

Conditions normales de température et de pression : p=1 atmp=1\,\mathrm{atm}, T=273 KT=273\,\mathrm{K} (θ=0 degreeCelsius\theta=0\,\mathrm{degreeCelsius}).

Formule3.2volume molaire aux CNTP
Vm=RTp=22,4L/moln=VVm.\boxed{\,V_{\mathrm{m}} = \frac{RT}{p} = 22{,}4\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}\,} \qquad\Longrightarrow\qquad n=\frac{V}{V_{\mathrm{m}}}.
Exemple

V=44,8 LV=44{,}8\,\mathrm{L} de NX2\ce{N2} aux CNTP n=V/Vm=44,8/22,4=2,0 mol\Rightarrow n=V/V_{\mathrm{m}}=44{,}8/22{,}4=2{,}0\,\mathrm{mol}.

4Masse volumique, masse molaire, densité

Formule4.1masse volumique et masse molaire d'un gaz parfait
ρ=pMRTM=mRTpV\boxed{\,\rho = \dfrac{p\,M}{R\,T}\,} \qquad\qquad \boxed{\,M = \dfrac{m\,R\,T}{p\,V}\,}
où :
  • ρ\rho : masse volumique (g/L\mathrm{g}/\mathrm{L}) ; MM : masse molaire (g/mol\mathrm{g}/\mathrm{mol}) ; mm : masse (g\mathrm{g}).
Remarque

Aux CNTP : M=ρ×VmM=\rho\times V_{\mathrm{m}}. À p,Tp,T donnés, ρM\rho\propto M : un gaz « lourd » (grand MM) est plus dense qu'un gaz « léger ».

Définition4.1densité par rapport à l'air

d=ρgaz/ρair=Mgaz/Maird=\rho_{\text{gaz}}/\rho_{\text{air}}=M_{\text{gaz}}/M_{\text{air}}, avec Mair=28,8 g/molM_{\text{air}}=28{,}8\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} (air 80 %\approx80\,\% NX2\ce{N2} ++ 20 %20\,\% OX2\ce{O2} en volume), ρair1,29 g/L\rho_{\text{air}}\approx1{,}29\,\mathrm{g}/\mathrm{L} aux CNTP.

Formule4.2masse molaire à partir de la densité
Mgaz=28,8×dgaz(aux CNTP).\boxed{\,M_{\text{gaz}} = 28{,}8\times d_{\text{gaz}}\,}\qquad(\text{aux CNTP}).
GazMM (g/mol\mathrm{g}/\mathrm{mol})ddComportement
He\ce{He}40,14monte (plus léger que l'air)
NX2\ce{N2}280,97\approx air
COX2\ce{CO2}441,53descend (plus lourd que l'air)

5Mélanges gazeux : loi de Dalton

Définition5.1pression partielle

pip_i : pression qu'exercerait le gaz ii s'il occupait seul tout le volume, à la même température.

Propriété5.1loi de Dalton
ptot=ipi=pA+pB+pC+\boxed{\,p_{\text{tot}} = \sum_i p_i = p_A+p_B+p_C+\dots\,}
Définition5.2fraction molaire

χA=nA/ntotal\chi_A = n_A/n_{\text{total}} (sans unité, iχi=1\sum_i\chi_i=1).

Formule5.1pression partielle et fraction molaire
pA=χA×ptotale\boxed{\,p_A = \chi_A \times p_{\text{totale}}\,}
Remarque

Pour des gaz parfaits, fraction molaire == fraction volumique (conséquence d'Avogadro) : « 20 %20\,\% de OX2\ce{O2} en volume » signifie χ(OX2)=0,20\chi(\ce{O2})=0{,}20.

Exemple

n(NX2)=0,30 moln(\ce{N2})=0{,}30\,\mathrm{mol}, n(OX2)=0,20 moln(\ce{O2})=0{,}20\,\mathrm{mol}, V=10,0 LV=10{,}0\,\mathrm{L}, T=300 KT=300\,\mathrm{K} : ntot=0,50 moln_{\text{tot}}=0{,}50\,\mathrm{mol}, ptot=ntotRT/V=1,23 atmp_{\text{tot}}=n_{\text{tot}}RT/V=1{,}23\,\mathrm{atm}, χ(NX2)=0,60p(NX2)=0,74 atm\chi(\ce{N2})=0{,}60\Rightarrow p(\ce{N2})=0{,}74\,\mathrm{atm}, p(OX2)=0,49 atmp(\ce{O2})=0{,}49\,\mathrm{atm} (somme =1,23 atm=1{,}23\,\mathrm{atm} \checkmark).

6Synthèse

MémoMémo — les formules à connaître
SituationFormuleConditions
Cas généralpV=nRTpV=nRTtoujours (gaz parfait)
TT constantep1V1=p2V2p_1V_1=p_2V_2Boyle-Mariotte
pp constanteV1/T1=V2/T2V_1/T_1=V_2/T_2Charles–Gay-Lussac
p,Tp,T constantesV1/n1=V2/n2V_1/n_1=V_2/n_2Avogadro
Nombre de molesn=pV/RTn=pV/RTtoujours
Aux CNTPn=V/22,4n=V/22{,}4p=1 atmp=1\,\mathrm{atm}, T=273 KT=273\,\mathrm{K}
Masse volumiqueρ=pM/(RT)\rho=pM/(RT)toujours
Masse molaireM=mRT/(pV)M=mRT/(pV)toujours
Densité / airMgaz=28,8 dM_{\text{gaz}}=28{,}8\,daux CNTP
Pression partiellepA=χA ptotp_A=\chi_A\,p_{\text{tot}}mélange (Dalton)
Pression totaleptot=pip_{\text{tot}}=\sum p_imélange (Dalton)
MémoMémo — valeurs et constantes de référence
  • Constante des gaz : R=8,314 J/molK=8,314 kPaL/molK=0,082 atmL/molKR=8{,}314\,\mathrm{J}/\mathrm{mol}\mathrm{K}=8{,}314\,\mathrm{kPa}\mathrm{L}/\mathrm{mol}\mathrm{K}=0{,}082\,\mathrm{atm}\mathrm{L}/\mathrm{mol}\mathrm{K}.
  • CNTP (= TPN = PTN) : p=1 atmp=1\,\mathrm{atm}, T=273 KT=273\,\mathrm{K} (θ=0 degreeCelsius\theta=0\,\mathrm{degreeCelsius}).
  • Volume molaire aux CNTP : Vm=22,4 L/molV_{\mathrm{m}}=22{,}4\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}.
  • Air : 80 %\approx 80\,\% NX2\ce{N2} ++ 20 %20\,\% OX2\ce{O2} (en volume) ; Mair=28,8 g/molM_{\text{air}}=28{,}8\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} ; ρair1,29 g/L\rho_{\text{air}}\approx1{,}29\,\mathrm{g}/\mathrm{L} (CNTP).
  • Conversions : 1 atm=101325 Pa=760 mmHg1\,\mathrm{atm}=101325\,\mathrm{Pa}=760\,\mathrm{mmHg} ; 1 m3=1000 L1\,\mathrm{m}^{3}=1000\,\mathrm{L} ; T(K)=θ+273,15T(\mathrm{K})=\theta+273{,}15.
MémoMémo — les pièges classiques à éviter
  • Température : toujours en kelvins dans pV=nRTpV=nRT et dans les rapports V/TV/T, p/Tp/T. Convertir avant tout calcul.
  • Cohérence RR / unités : associer R=0,082R=0{,}082 à (atm\mathrm{atm}, L\mathrm{L}), ou R=8,314R=8{,}314 à (Pa\mathrm{Pa}, m3\mathrm{m}^{3}). Ne jamais panacher.
  • Le volume 22,4 L/mol22{,}4\,\mathrm{L}/\mathrm{mol} n'est valable qu'aux CNTP. Hors CNTP, repasser par pV=nRTpV=nRT.
  • Fraction molaire == fraction volumique pour les gaz parfaits seulement (grâce à Avogadro).
  • Pression partielle pA=χA ptotp_A=\chi_A\,p_{\text{tot}} : c'est la fraction molaire, pas la fraction massique.
MémoMéthode générale — résoudre un problème de gaz
  1. Lister les grandeurs connues et l'inconnue ; repérer ce qui est constant.
  2. Convertir les unités : température en K\mathrm{K}, pression et volume cohérents avec le RR choisi.
  3. Choisir la loi : une variable constante \to loi historique ; sinon \to pV=nRTpV=nRT ; mélange \to Dalton.
  4. Isoler littéralement l'inconnue avant l'application numérique.
  5. Calculer, puis vérifier l'ordre de grandeur et l'homogénéité (les unités doivent se simplifier correctement).

Fin de la fiche de révision 7 — Loi des gaz.