5.3: Applications de la loi des gaz parfaits : masse molaire, densité et volume
Le volume occupé par une mole d'une substance est son volume molaire. La loi du gaz parfait, PV = nRT, indique que le volume d'une quantité donnée de gaz et le nombre de moles dans un volume donné de gaz varient en fonction des changements de pression et de température. À la température et à la pression standards, ou TPS (273,15 K et 1 atm), une mole d'un gaz parfait (quelle que soit son identité) a un volume d'environ 22,4 L ; ce que l'on appelle le volume molaire standard.
Par exemple, une mole d'hydrogène, d'oxygène, d'argon ou de dioxyde de carbone occupe 22,4 litres aux TPS. Cela implique que 0,5 mole de tout gaz aux TPS occupe un volume de 11,2 L et, de même, 2 moles de tout gaz aux TPS occupent un volume de 44,8 L.
La loi du gaz parfait est universelle, reliant la pression, le volume, le nombre de moles et la température d'un gaz, quelle que soit l'identité chimique du gaz :
La densité d d'un gaz, en revanche, est déterminée par son identité. La densité est le rapport de la masse sur le volume. Lorsqu'on réorganise l'équation du gaz parfait pour extraire V et qu'on remplace dans l'équation de la densité, cela donne :
Le rapport m/n, c'est à dire masse sur moles, est la définition de la masse molaire, M :
L'équation de la densité peut alors être écrite comme
Cette équation nous indique que la densité d'un gaz est directement proportionnelle à la pression et à la masse molaire, et inversement proportionnelle à la température. Par exemple, le CO2 (masse molaire = 44 g/mol) est plus lourd que le N2 (masse molaire = 28 g/mol) ou l'O2 (masse molaire = 32 g/mol), et il est donc plus dense que l'air. Pour cette raison, le CO2 libéré par un extincteur à CO2 recouvre un incendie, empêchant l'O2 d'atteindre le matériau combustible. Le phénomène des ballons d'air chaud qui s'élèvent dépend de la relation selon laquelle les gaz de masses molaires égales (comme l'air) ont des densités plus faibles à des températures plus élevées, et donc les ballons d'air chaud peuvent voler.
Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 9.3 : Stœchiométrie des substances gazeuses, mélanges gazeux et réactions gazeuses.
