Solubilité des GAZ

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colin
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Solubilité des GAZ

Messagepar colin » 16 Sep 2011, 16:41

Bonjour,

Cela concerne un peu la biologie, je cherche la solubilité des gaz suivants : N2, O2 et CO2 dans l'eau avec une pression normale (pression atmosphérique 760mmHg).
J'ai trouvé ces valeurs (cf plus bas), mais je ne suis pas sur de bien les comprendre est-ce la solubilité à la pression atmosphérique normale ? Ou la solubilité maximale du gaz avec des pressions très supérieures à 1 atm par exemple...

Solubilité à dans l’eau à 20°C:
N2 : 1,6 mL /100mL d’eau
O2 : 3,2 mL/100mL d’eau
CO2 : 88 mL/100mL d’eau
Source: wikipédia --> sans plus de précisions malheureusement...

Parce que 88 mL de CO2 dans 100mL d'eau à la pression atmosphérique normale (soit une ppCO2 de 0,3mmHG) mon bon sens tire une sonnette d'alarme !
Bref merci de m'éclairer un peu sur ces chiffres et si possible de me trouver les bons avec des pressions partielles correspondant à celle de l'atmosphère (ou avec une même pression partielle pour comparaison)...
Jean-Philippe COLIN
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darrigan
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Re: Solubilité des GAZ

Messagepar darrigan » 16 Sep 2011, 17:58

Bonjour Colin,

Comment ça ?! tu n'as pas à ta disposition le Handbook de chimie physique ? Dans celui de 2006-2007, page 8-80, tu trouveras des tables de solubilité exprimées en fraction molaire. :mrblue: (voir en privé)

:salut:
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chube34
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Re: Solubilité des GAZ

Messagepar chube34 » 19 Sep 2011, 09:24

Bonjour Colin, Darrigan,
Au risque de passer pour un suce roue je dois dire que votre sujet m'intéresse fortement. Je vous en expose brièvement la raison. Dans le milieu du vin il est courant d'entendre les personnes dire que le vin se conservera mieux avec beaucoup de gaz carbonique. En langage plus clair le CO2 empêcherait l'O2 de pénétrer le vin ce qui, concours à une évolution prématurée de ce dernier. Ma question est de savoir si cet "axiome" est vérifié. J'ai pour ma part compris que ce phénomène dépendait
- d'une part de la nature du liquide. Là on est en présence du même liquide à savoir le vin.
- d'une autre part de la nature du gaz, on parle alors de la solubilité des gaz. Elle est selon mes recherches plus importante pour le CO2 que pour l'O2. On situe la saturation du vin à 8,4 mg/L de vin puis il y a consommation pour en dissoudre encore (fct de la température). A noter que le vin jeune contient aux alentour de 1600 mg/L de CO2
- mais aussi au travers de la loi de Henry de pression partielle dans la phase gazeuse (dans la cuve, au dessus du vin) de chaque gaz en cause. Cuve fermée en haut ou cuve ouverte comme un verre, y aurait-il une importance?
- sans oublier la température, mais là aussi identique puisque l'on parle du même milieu (la cuve de vin) ...
Auriez-vous un avis sur ce sujet qui me donnerait des arguments dans un sens ou un autre.
Merci à vous tous

alexchimiste
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Re: Solubilité des GAZ

Messagepar alexchimiste » 19 Sep 2011, 11:43

chube34 a écrit :mais aussi au travers de la loi de Henry de pression partielle dans la phase gazeuse (dans la cuve, au dessus du vin) de chaque gaz en cause. Cuve fermée en haut ou cuve ouverte comme un verre, y aurait-il une importance?


Un gaz est caractérisé par la propriété d'occuper de manière homogène tout le volume qui lui est offert ou imposé... Donc dans une cuve fermée, la pression partielle du dioxyde de carbone dans un mélange de gaz se calcule grâce à la loi des gaz parfaits et en connaissant la pression totale régnant dans la cuve. Dans une cuve ouverte, le volume étant alors infini, on ne peut pas connaître la quantité de dioxyde de carbone gazeux libre...

darrigan
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Re: Solubilité des GAZ

Messagepar darrigan » 19 Sep 2011, 18:15

chube34 a écrit :Dans le milieu du vin il est courant d'entendre les personnes dire que le vin se conservera mieux avec beaucoup de gaz carbonique. En langage plus clair le CO2 empêcherait l'O2 de pénétrer le vin ce qui, concours à une évolution prématurée de ce dernier. Ma question est de savoir si cet "axiome" est vérifié.

Je dirais que oui, car si une grande quantité de CO2 est dissout dans le vin, O2 y est encore moins soluble. Si le vin est conservé dans une cuve fermée sous CO2, alors il est évident que O2 y est absent (ou du moins présent en concentration très faible), ce qui limite l'oxydation.

Le dioxygène peut avoir un influence sur l'oxydation des molécules du vin, mais aussi sur le développement des bactéries aérobies. S'il n'y a pas de dioxygène, et que du CO2, les bactéries aérobies ne se développent plus, mais des bactéries anaérobies peuvent se développer, donc cet "axiome" est tout de même partiel. (Il y a aussi des bactéries qui peuvent se développer aussi bien en présence qu'en absence de O2).
Quoi qu'il en soit, s'il n'y a pas de dioxygène, le vin ne pourra pas tourner en vinaigre (qui correspond à une oxydation de l'éthanol en acide acétique).

Un autre paramètre qui pourrait gêner le développement de certains micro-organismes, c'est que le CO2 dissout rend le milieu légèrement acide, car certains micro-organismes sont sensibles au pH. Cependant cette acidité est assez faible (entre 6 et 7 sur l'échelle de pH) et la plupart des micro-organismes résistent à celà, ce qui fait que, à mon avis, on peut difficilement expliquer la bonne conservation sur la base de cet effet-là. Par comparaison, le vinaigre est bien plus acide (entre 2 et 3) et pour cela l'Acetobacter aceti résiste bien (de fait, puisque c'est elle qui réalise l'oxydation).

La quantité dissoute est fonction de la température et de la pression, bien sûr. Si on place du vin dans une cuve fermée, sous pression de CO2, on le force à s'y dissoudre d'autant plus. C'est d'ailleurs ainsi que les mousseux, pétillants, cidres, bière, etc. sont fabriqués : la fermentation alcoolique (où les microorganismes transforment le sucre en éthanol et CO2) se termine alors que la boisson est déjà mise en bouteille, ce qui fait de la pression y augmente, et ce qui fait qu'à l'ouverture l'excédent de CO2 insoluble à P atmosphérique, est relargué sous forme de bulles. :fete:

Je reviens au sujet original de Colin.
Dans le message de Colin, je suppose qu'il était plutôt question de la solubilité des gaz O2, N2 et CO2 dans du sang.

Dans le Handbook est indiqué : à 20°C, x(CO2) = 7,07.10–4, sous une pression partielle de CO2 de 1013,25 hPa (= 1 atm),
où x(CO2) est la fraction molaire de CO2 dans l'eau pure, c'est-à-dire : x(CO2) = n(CO2) / (n(CO2) + n(H2O))

(Dans les mêmes conditions, pour le dioxygène, se serait x(O2) = 2,501.10–5 ; donc en effet O2 est moins soluble que CO2, d'un ordre de grandeur.)

Autrement dit, si l'on place un bécher contenant de l'eau pure dans une cloche qui contient du CO2, le tout étant à la pression atmosphérique, alors l'eau contiendra, à l'équilibre, 7,07.10–6 % molaire de CO2.

Comment passer des % molaire à des quantités par exemple en mg pour 100 mL ?
On a :
x(CO2) = n(CO2) / (n(CO2) + n(H2O))
x(CO2) * (n(CO2) + n(H2O)) = n(CO2)
x(CO2)*n(CO2) + x(CO2)*n(H2O) = n(CO2)
x(CO2)*n(CO2) – n(CO2) = – x(CO2)*n(H2O)
n(CO2) (x(CO2) – 1) = – x(CO2)*n(H2O)
n(CO2) (1 - x(CO2)) = x(CO2)*n(H2O)
n(CO2) = x(CO2)*n(H2O) / (1 - x(CO2))
Prenons par exemple n(H2O) = 5,55 mol (qui correspond à 100 g d'eau soit 100 mL d'eau) et x(CO2) = 7,07.10–4 :
n(CO2) = 7,07.10–4 * 5,55 / (1 - 7,07.10–4) = 0,00393 mol
Soit m(CO2) = 0,00393 * 40,02 = 0,1572786 g
Soit, en volume, V(CO2) = 0,00393 * 22,4 = 0,088032 L (vous aurez reconnu 22,4 comme étant le volume molaire d'un gaz à P et T standard)

Ce résultat correspond parfaitement aux 88 mL / 100 mL trouvé par Colin sur Wikipédia... Ce nombre est donc la solubilité du gaz sous pression atmosphérique normale, lorsque l'équilibre est atteint.

Est-ce que tout ceci répond à ta question Colin ? (En attendant de te passer le Handbook dans lequel tu trouveras toutes les autres valeurs pour n'importe quel T et P). ;-)
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Re: Solubilité des GAZ

Messagepar colin » 20 Sep 2011, 11:16

Merci pour cette réponse très complète, j'ai bien récupéré le handbook et trouvé les valeurs qui m’intéressent :+1: . Le problème du vin est également très intéressant, et les atmosphère modifiée sont courantes dans l'agroalimentaire en général (salade en sachet etc....)
Juste pour être bien certain, la valeur 7,07.10–4, sous une pression partielle de CO2 de 1013,25 hPa (= 1 atm) --> correspond bien à une pression de CO2 de 1013hPa (soit bq plus que l'atmosphère normale que l'on respire) ? Peut-on calculer la fraction molaire avec une pression partielle de CO2 plus faible ?

Effectivement le problème de la solubilité dans le sang m’intéresse, il explique pourquoi les organismes complexes utilisent des transporteurs dédiés (hémoglobines, hémocyanines) pour l'O2 et pas pour le CO2...
Ces valeurs m'intéressent aussi pour la comparaison des respirations pulmonaires et branchiales, l'O2 étant très accessible dans l'air, et moins disponible dans l'eau, tandis qu'il est plus facile de se débarrasser du CO2 dans l'eau que dans l'air. Par exemple certains poissons, les dipneustes utilisent leurs branchies pour évacuer 60% du CO2, et leurs poumons pour capter 80% du dioxygène plutôt rare dans les eaux tropicales boueuses qu'ils fréquentent...

J'ai une dernière question dont je pense connaitre la réponse mais j'ai du mal à la formuler et donc à l'expliquer:
Les batraciens maintiennent leur peau humide pour faciliter les échanges gazeux au niveau de celle-ci (à peu près 30 à 50% de la respiration se fait par la peau). Bref la question est pourquoi avoir la peau humide dans l'air facilite les échanges...
Mon explication est que cela permet aux gaz de se solubiliser puis ensuite de pénétrer dans l'organisme, si la peau était sèche les gaz devraient passer 2 barrières en même temps: celle de la peau et l'interface gaz:liquide... La peau étant fine c'est peut-être aussi pour éviter la déshydratation (enfin elle se déshydrate de toute façon ..), ou encore parce que la peau est plus perméable à l'eau qu'à l'air ? Ou quelque chose du genre (en fait j'ai beau fouiller mes livres je ne retrouve pas la raison exacte...). En tout cas si il y a un argument physico-chimique pertinent je suis preneur ! (tension de surface, solubilité des gaz, ou autre bazar du genre ...)
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Re: Solubilité des GAZ

Messagepar darrigan » 20 Sep 2011, 13:33

colin a écrit :Peut-on calculer la fraction molaire avec une pression partielle de CO2 plus faible ?

C'est justement la relation découverte par William Henry : http://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_de_Henry

colin a écrit :Les batraciens maintiennent leur peau humide pour faciliter les échanges gazeux au niveau de celle-ci (à peu près 30 à 50% de la respiration se fait par la peau). Bref la question est pourquoi avoir la peau humide dans l'air facilite les échanges...
Mon explication est que cela permet aux gaz de se solubiliser puis ensuite de pénétrer dans l'organisme, si la peau était sèche les gaz devraient passer 2 barrières en même temps: celle de la peau et l'interface gaz:liquide... La peau étant fine c'est peut-être aussi pour éviter la déshydratation (enfin elle se déshydrate de toute façon ..), ou encore parce que la peau est plus perméable à l'eau qu'à l'air ? Ou quelque chose du genre (en fait j'ai beau fouiller mes livres je ne retrouve pas la raison exacte...). En tout cas si il y a un argument physico-chimique pertinent je suis preneur ! (tension de surface, solubilité des gaz, ou autre bazar du genre ...)


A mon avis c'est la même chose qui se passe dans nos poumons : nos alvéoles pulmonaires sont des tissus très fins, irrigués par des capillaires sanguins, tapissés d'un mucus qui agit comme un tensioactif et permettant l'échange avec l'air et avec le sang. Il y a donc aussi une part de solubilisation. Il n'y a pas de "micropompes" qui feraient passer O2 de l'air vers le sang, et le CO2 du sang vers l'air : ce passage est un équilibre rapide entre la pression partielle du gaz dans l'air et de la pression partielle alvéolaire.
- Si O2 passe de l'air vers le sang, spontanément, c'est que sa pression partielle dans l'air est supérieure à la pression partielle alvéolaire.
- Si CO2 passe du sang vers l'air, spontanément, c'est que sa pression partielle dans l'air est inférieure à la pression partielle alvéolaire.
Les pressions partielles alvéolaires normales (comparées aux pressions partielles des gaz dans l'air) sont :
p(O2) = 105 mmHg (dans l’air : 160 mmHg)
p(CO2) = 40 mmHg (dans l’air : 0,3 mmHg)
Nous risquons l'asphyxie par deux moyens :
- soit parce que la pression partielle de O2 tombe à 105 mmHg ou en dessous (≤ 14%v de O2 dans l'air) : on est asphyxié parce que O2 ne peut plus entrer dans le sang.
- soit parce que la pression partielle de CO2 dépasse 40 mmHg (≥ 5%v de CO2 dans l'air) : on est asphyxié parce que le CO2 ne peut plus sortir du sang.

Si jamais on inhale un gaz ou une vapeur qui modifie la tension superficielle alvéolaire, cela perturbe les échanges gazeux et on risque l'asphyxie aussi.
Aide-toi et le forum t'aidera ! :mrblue:


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