Les mélanges de gaz

Mélanges de gaz

Deux gaz, s'ils ne réagissent pas vivement l'un sur l'autre, sont toujours miscibles, un mélange gazeux est toujours homogène. Un contre-exemple typique est le mélange d'ammoniac (NH₃) et de chlorure d'hydrogène (HCl, anhydride d'acide chlorhydrique), qui forme un brouillard de cristaux de chlorure d'ammonium (NH₄Cl).

Hors cas de réaction chimique, c'est même le modèle de l'homogénéité : les molécules sont très faiblement liées et le mouvement brownien (diffusion) et tous les autres types de déplacement de matière (convection, courant) sont les plus intenses dans l'état gazeux, assurant le maintien de l'homogénéité.

Le mélange n'est pas toujours spontané ou être pratiquement retardé par des différences de température, la pesanteur et autre effet physique : en l'absence d'agitation, un gaz peut s'accumuler au niveau du sol ou au contraire dans des infractuosités situées plus en hauteur ; les polluants gazeux ne se diffusent que lentement parfois dans l'atmosphère...

En présence d'un champ de pesanteur et si la hauteur du système considéré est importante, on peut avoir une stratification : la concentration en gaz le plus dense est plus importante en bas (gaz dit « lourd »), et la concentration en gaz le moins dense est plus importante en haut (gaz dit « léger »).

Cet effet ne peut se constater qu'avec des différences d'altitude de plusieurs centaines de mètres. En effet, l'énergie cinétique des molécules de gaz (3·k·T, où k est la constante de Boltzmann et T est la température absolue) est très supérieure à l'énergie potentielle de gravité (m_i·g·z, où m_i est la masse d'une molécule, g est l'accélération de la gravité et z est l'altitude). La concentration de gaz i C_i(z) suit une loi de Maxwell-Boltzmann

<math>C_i (z) = C_{i0} \cdot \exp \left ( - \frac{m_i \cdot g \cdot z}{kT} \right )</math>

où C_i0 est la concentration à l'altitude de référence (z = 0). On voit que le rapport de proportions C₁/C₂ varie selon

<math>\exp \left ( \frac{(m_2 - m_1) \cdot g \cdot z}{kT} \right )</math>

qui varie très lentement en z.

Par contre, lorsque la température diminue ou que la pression augmente, on peut avoir la condensation d'un des gaz (rosée) ; on se rapproche alors d'un mélange hétérogène appelé aérosol ou brouillard, et le mélange s'appauvrit fortement en gaz qui se liquéfie.