L'électrolyse de l'eau

Obtenez un mélange d'oxyhydrogène par électrolyse !

Difficulté :
Danger :
Durée :
40 minutes
L'électrolyse de l'eau

Réactifs

Sécurité

  • Portez des gants et des lunettes de protection.
  • Retirez les gants de protection avant d'allumer la bougie (étape 4).
  • Réalisez l’expérience sur le plateau en plastique.
  • Gardez un bol d’eau près de vous lorsque vous travaillez avec du feu.
  • Tenez les cheveux et les objets inflammables éloignés des flammes.
Règles générales de sécurité
  • Éviter tout contact des produits chimiques avec les yeux ou la bouche.
  • Éloigner les jeunes enfants, les animaux et les personnes sans équipement de protection des yeux de la zone où sont réalisées les expériences.
  • Ranger ce coffret d’expériences hors de portée des enfants de moins de 10 ans.
  • Nettoyer la totalité du matériel après utilisation.
  • S’assurer que tous les récipients sont hermétiquement fermés et convenablement stockés après utilisation.
  • S’assurer que tous les récipients vides sont correctement éliminés.
  • Ne pas utiliser d’autre matériel que celui fourni avec le coffret ou recommandé dans la notice d’utilisation.
  • Ne pas remettre les denrées alimentaires dans leur récipient d’origine. Les jeter immédiatement.
Informations générales de premiers soins
  • En cas de contact avec les yeux : laver abondamment à l’eau en maintenant les yeux ouverts si nécessaire. Consulter immédiatement un médecin.
  • En cas d’ingestion : rincer la bouche abondamment avec de l’eau, boire de l’eau fraîche. Ne pas faire vomir. Consulter immédiatement un médecin.
  • En cas d’inhalation : transporter la personne à l’extérieur.
  • En cas de contact avec la peau et de brûlures : laver abondamment à l’eau la zone touchée pendant au moins 10 minutes.
  • En cas de doute, consulter un médecin sans délai. Emporter le produit chimique et son récipient.
  • En cas de blessure, toujours consulter un médecin.
Conseils pour les adultes superviseurs
  • L’utilisation incorrecte des produits chimiques peut engendrer des blessures et nuire à la santé. Réaliser uniquement les expériences décrites dans les instructions.
  • Ce coffret d’expériences est à utiliser uniquement par des enfants de plus do 10 ans.
  • Compte tenu de très grandes variations des capacités des enfants, même au sein d’un groupe d’âge, il convient que les adultes surveillants apprécient avec sagesse quelles sont les expériences appropriées et sans risque pour les enfants. Il convient que les instructions permettent aux adultes surveillants d’évaluer chacune des expériences afin de pouvoir déterminer son adéquation à un enfant particulier.
  • Il convient que l’adulte surveillant s’entretienne des avertissements et des informations de sécurité avec l’enfant ou les enfants avant de commencer les expériences. Il convient d’accorder une attention particulière à la sécurité lors de la manipulation d’acides, d’alcalis et de liquides inflammables.
  • Il convient que la zone où sont réalisées les expériences soit sans obstacle et ne soit pas située près d’une réserve de denrées alimentaires. Il convient qu’elle soit bien éclairée et aérée, et à proximité d’une adduction d’eau. Il convient d’utiliser une table solide dont la surface est résistante à la chaleur.
  • Il convient d’utiliser complètement les substances contenues dans des emballages non refermables au cours d’une expérience, c’est-à-dire après l’ouverture de l’emballage.

FAQ et dépannage

La solution fuit de la pipette ! Que dois-je faire ?

Si la solution fuit, déconnectez d'abord le porte-piles de l'électrolyseur. Versez soigneusement le NaOH restant dans le bécher. Ensuite, séparez la fiche du câble de la pipette et essuyez-la avec une serviette en papier. Vous devez réparer la fuite. Fixez le joint torique en caoutchouc du coffret autour de la fiche du câble et insérez-la à nouveau dans la pipette. Une fois que vous êtes sûr que la fuite est sous contrôle, poursuivez votre test. Vous pouvez aussi essayer d'utiliser l'électrolyseur de rechange du coffret.

J'ai branché les piles, mais rien ne se passe.

Assurez-vous que vous avez correctement connecté toutes les pinces et câbles : la pince crocodile rouge se connecte à l'extrémité interne du câble et la pince noire à l'extrémité externe ; le câble rouge se connecte à la pince rouge du porte-piles et le câble noir à la pince noire. Si tout est correct, essayez de changer les piles.

La fiche du câble est devenue verte. Pourquoi ?

La fiche du câble est faite en partie en cuivre. Le processus d'électrolyse implique certaines réactions redox et le cuivre peut devenir vert une fois oxydé.

Le mélange bouillonne hors de la pipette. Est-ce normal ?

Oui, cela ne devrait pas affecter l'expérience. Attendez simplement le temps imparti et passez à l'étape suivante !

J'ai tout fait correctement mais il n'y a pas eu de « boum ».

Ne vous inquiétez pas ! Tout d'abord, recommencez les étapes précédentes à partir de l'étape 2. Essayez de laisser l'électrolyse fonctionner un peu plus longtemps pour accumuler plus de gaz. Essayez de déplacer rapidement la bouteille vers la bougie, sans l'incliner ni la retourner. Rapprochez la bouteille d'oxyhydrogène plus près de la bougie. S'il n'y a toujours pas de bruit, rapprochez-la davantage (oui, le goulot peut commencer à fondre un peu) ou essayez de tenir la bouteille sous un angle différent.

Combien de fois puis-je remplir la bouteille de gaz et essayer d'éteindre la bougie ?

Pas mal de fois, en fait ! Essayez !

Instructions pas à pas

Pour rendre l'électrolyse de l'eau efficace, préparez une solution alcaline. La réaction entre l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2 et le carbonate de sodium Na2CO3 produit de l'hydroxyde de sodium NaOH : c'est exactement l'alcali qu'il nous faut.

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En plus du produit principal, NaOH, la réaction produit du CaCO3. Pour le filtrer, pliez un papier filtre comme indiqué.

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Les solides de carbonate de calcium (craie ordinaire) restent dans le filtre, tandis que la solution d'hydroxyde de sodium passe à travers, dans le flacon.

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Préparez un appareil pour l'électrolyse de l'eau. C'est ce qu'on appelle un électrolyseur.

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Remplissez l'électrolyseur à moitié avec une solution d'hydroxyde de sodium NaOH.

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Placez une bouteille pour recueillir le gaz oxyhydrogène. Démarrez le processus d'électrolyse de l'eau.

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Maintenant, essayez d'éteindre une bougie en utilisant la réaction entre le dihydrogène et le dioxygène.

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Pour recommencer l'expérience, reconnectez l'électrolyseur aux piles et répétez les étapes 6 et 7.

Résultat attendu

Lors de son électrolyse, l'eau se décompose en deux gaz : le dioxygène O2 et le dihydrogène H2. Le résultat final contient deux fois plus de dihydrogène que de dioxygène. Ce mélange de gaz est appelé oxyhydrogène. Lorsqu'on approche une bouteille pleine d'oxyhydrogène d'une bougie allumée, le gaz s'enflamme immédiatement et il éteint la bougie.

Élimination des déchets

Éliminez les déchets solides avec les ordures ménagères. Versez les solutions dans l’évier et rincez abondamment à l’eau.

Description scientifique

Les molécules d'eau H2 sont robustes et leur « démantèlement » demande beaucoup d'énergie. L'électricité  des piles est utile pour rompre les liaisons solides des molécules d'eau. Ce processus crée des molécules de dioxygène O2  et de dihydrogène H2 , qui s'échappent ensuite dans l'air.

Un mélange de molécules H2  et O2  avec un rapport de 2 à 1 est appelé oxyhydrogène. Très inflammable, il s'enflamme facilement au contact d'une flamme. La réaction entre ces gaz produit un bruit fort et une émission d'énergie . C'est la même énergie qui a été dépensée auparavant pour « démanteler » les molécules d'eau, mais sous une forme différente. L'eau H2 est un autre produit de cette réaction.

Nous n’utilisons pas souvent cette méthode pour obtenir de l’eau ; en revanche, nous captons et utilisons l'énergie émise. Cette réaction est utilisée pour créer la force motrice des moteurs de fusée. Cependant, si elle n'est pas contrôlée, elle peut être assez dangereuse. En 1937, un dirigeable appelé Hindenburg a explosé parce que les 200 000 mètres cubes de dihydrogène le remplissant ont réagi avec le dioxygène de l'air. La réaction a complètement détruit le dirigeable et formé plus de 150 tonnes d'eau.

En savoir plus

Chimiquement, le processus de formation de l'eau paraît assez simple :

2H2 + O2 → H2O

Cependant, ce n'est pas aussi simple que cela. Il s'agit d'une réaction d'oxydoréduction, avec l'oxygène comme oxydant (prenant des électrons de l'hydrogène) et l'hydrogène comme réducteur (cédant ses électrons à l'oxygène) :

O20 + 4e → 2O2−

H20 − 2e → 2H+

Cette réaction se produit vigoureusement, en particulier lorsque l'oxygène est mélangé avec de l'hydrogène dans un rapport de 1 pour 2 comme dans notre expérience. En effet, la vapeur d'eau résultante contient un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène : son rapport est aussi de 1 pour 2.

Comment se produit l'électrolyse ?

Pour répondre à cette question, examinons d'abord ce qu'il se passe à l'intérieur de la solution initiale dans l'électrolyseur. À l'état liquide, l'eau  peut se diviser en ions :

H2O → H+ + OH

L'eau ordinaire ne contient que très peu de ces ions. Mais l'hydroxyde de sodium peut également se diviser dans l'eau :

NaOH → Na+ + OH

Notre eau contient désormais beaucoup d'ions hydroxyde OH . Un électrolyseur (le dispositif utilisé dans l'électrolyse de l'eau) est muni d'une anode  chargée positivement qui attire les ions chargés négativement comme OH-, et d'une cathode  chargée négativement qui attire les ions chargés positivement comme H+ .

Ces ions OH- et H+ se déplacent vers les parties respectives de notre électrolyseur. Ensuite, les ions H+ prennent des électrons de la cathode et se transforment en dihydrogène H2 , tandis que les ions hydroxyde OH cèdent leurs électrons à l'anode pour se transformer en dioxygène O2 .

Dans notre expérience, l'électrolyseur est constitué d'une prise RCA : son anneau métallique est une cathode et sa broche est une anode. On peut toutefois changer les pôles en connectant les fils de la prise et du porte-piles dans le sens inverse sans affecter l'expérience.

Qu'est-ce qu'une prise RCA ?

La prise RCA était autrefois largement utilisée dans les systèmes audiovisuels. Elle pouvait connecter, par exemple, un magnétoscope à un téléviseur. Elle est encore utilisée dans certains équipements visuels, bien qu'elle ne soit plus si répandue de nos jours. Elle se compose de deux parties métalliques : un anneau extérieur et une broche, séparées par un anneau isolant en plastique. Des câbles distincts sont connectés à chacun des composants métalliques : les câbles plus courts sont connectés à l'anneau métallique, tandis que ceux plus longs sont connectés à la broche.