Dendrite d’étain

Un arbre de métal se développe sous vos yeux !

Difficulté :
Danger :
Durée :
10 minutes
Aperçu vidéo de l’expérience

Réactifs

Sécurité

  • Portez des gants et des lunettes de protection.
  • Réalisez l’expérience sur le plateau en plastique.
  • Pour votre sécurité, manipulez toujours les piles avec les précautions appropriées.
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

Je n’arrive pas à insérer la buse de la bouteille.

Commencez par essayer d’utiliser une autre buse de bouteille. Elle devrait s’intégrer parfaitement dans la bouteille. Et, bien sûr, vous pouvez demander de l’aide à un adulte.

Puis-je fermer la bouteille avec un autre bouchon que le rouge ?

Oui, bien sûr, vous le pouvez. Mais, assurez-vous d’utiliser le bouchon d’une bouteille destinée aux liquides ! Sinon, vous ne pourrez pas fermer la bouteille suffisamment étanchément.

Le liquide ne s’est pas répandu pour recouvrir complètement la boîte de Pétri.

Essayez de placer la boîte de Pétri sur une surface horizontale et de l’agiter délicatement. Si cela ne fonctionne pas, ajoutez 1 goutte de savon liquide de plus.

Les pinces crocodiles ne touchent pas la solution.

Commencez par abaisser les pinces situées sous la paroi de la boîte de Pétri.

Ensuite, assurez-vous que la solution s’est bien étendue pour recouvrir complètement la base de la boîte de Pétri, sans laisser de zones vides. S’il n’y a pas suffisamment de solution, ajoutez 1 à 2 cuillères à thé d’eau.

Rien ne s’est produit. Pourquoi ?

Ne vous inquiétez pas ! C'est probablement facile à résoudre.

· Tout d’abord, assurez-vous que les piles ont été correctement insérées dans le porte-piles. Si tout a été installé correctement, mais que rien ne se produit, essayez de changer les piles.

· Assurez-vous que les pinces crocodiles sont bien fixées sur le métal, et non pas sur l’isolant.

· Assurez-vous que les pinces touchent la solution.

· Et n’oubliez pas de vérifier la polarité !

La solution de chlorure d'étain bouillonne près de l'une des pinces. Est-ce normal ?

Oui, tout est en ordre. La pince agit comme une anode dans cette cellule électrochimique. Une réaction de décomposition de l'eau s'effectue pour produire de l'oxygène gazeux (O2). Celui-ci forme des bulles à travers la solution et le rend mousseux.

Une des pinces se dissout pendant l'électrolyse. Que devrais-je faire ? Comment puis-je répéter l'expérience ?

Si vous laissez la cellule électrochimique fonctionner pendant un certain temps, l'une des pinces commencera à se dissoudre. C'est une réaction électrochimique courante, qui n'est ni dangereuse ni dérangeante pour l'expérience. Cependant, la partie de la pince immergée dans la solution se dissoudra progressivement.

Comment puis-je répéter l'expérience (ou faire les suivis) si cela s'est produit ? Tout d'abord, déconnectez les pinces du bloc-piles, puis suivez l'une des deux options suivantes :

Option 1 : Retirez la pince de la solution, lavez-la à l'eau et essuyez-la avec une serviette en papier. Connectez maintenant la pince « dissoute » à un fil du bloc-piles. Vous pouvez maintenant utiliser la pince non dissoute pour continuer votre recherche !

Option 2 : Tournez la pince en plaçant la partie dissoute à l'extérieur de la boîte de Pétri. Assurez-vous que la partie « non dissoute » de la pince est immergée dans la solution.

Comment dois-je utiliser les piles ?

Nous vous recommandons fortement d'utiliser la même marque de piles dans vos appareils. Les piles fabriquées par des fabricants différents peuvent avoir des caractéristiques différentes (tension, ampérage, etc.). Une des piles peut surchauffer en raison d'un conflit entre ces caractéristiques, ce qui peut provoquer une fuite de la batterie et endommager l'équipement.

Examinez attentivement vos piles, pour déterminer leur polarité et l’endroit où elles doivent être placées dans le porte-piles.

L’extrémité plate des piles cylindriques est leur « - ».

L’extrémité convexe des piles cylindriques est leur « + ».

Et la polarité doit être indiquée sur le boîtier ou l’étiquette de la pile !

Il y a presque toujours un ressort sur le côté négatif du contact dans le porte-piles. Vous devez connecter le « - » de la pile avec le « - » du porte-piles, et le « + » avec le « + ». Insérez les nouvelles piles dans le porte-piles, en respectant la polarité.

Après l’utilisation, retirez immédiatement une pile du porte-piles. Si les piles ne fonctionnent pas et que vous avez tout fait correctement, jetez-les conformément aux normes environnementales en vigueur dans votre région.

Instructions pas à pas

Tout d’abord, préparez une solution de chlorure d’étain SnCl2.

tinlead-v2_dendrite_fr_iks-s-01

Assurez-vous que la solution couvre bien la surface de la boîte de Pétri.

tinlead-v2_dendrite_fr_iks-s-02

Placez les électrodes dans la solution.

tinlead-v2_dendrite_fr_iks-s-03

Connectez les électrodes à leur source de courant électrique : les piles.

tinlead-v2_dendrite_fr_iks-s-04

Les électrons provenant des piles provoquent une réaction chimique. Un des produits qui en résultent est l’étain métallique.

tinlead-v2_dendrite_fr_iks-s-05

Résultat attendu

Une merveilleuse dendrite pousse à partir d'une solution de sel incolore.

Élimination des déchets

Veuillez vous reporter aux réglementations locales pour la collecte des déchets chimiques. Jetez les autres déchets solides avec les ordures ménagères. Versez les solutions restantes dans l'évier. Rincez avec beaucoup d’eau.

Description scientifique

Les piles sont essentiellement des pompes à électrons : elles aspirent les électrons avec leur « + »  et les rejettent à partir de leur « − » . Lorsque cette pompe est connectée à une solution par des « tuyaux électriques » (par exemple : des fils), diverses réactions chimiques peuvent se produire : par l’électrode « − » , certaines particules captureront les électrons qui se déversent ; par l’électrode « + »  certaines particules donneront leurs électrons.

Dans notre expérience, les ions étain Sn2+  (c’est-à-dire les atomes d’étain auxquels manquent deux électrons) accepteront volontiers des électrons au niveau du fil « − » et se transformeront en étain métallique . Pendant ce temps, l’électrode « + » elle-même , qui est en fer, donnera une partie de ses électrons au fil « + » , laissant des ions fer flottant aux alentours . C’est pourquoi la pince crocodile rouge finira tôt ou tard par se dissoudre, si vous ne la déconnectez pas.

Pourquoi la dendrite d'étain se développe-t-elle ?

En attachant les pinces crocodiles aux bords de la boîte de Pétri, nous connectons la solution de chlorure (SnCl2) d'étain (II) aux piles. Une fois connectée, le courant électrique commence à circuler dans la solution. Près de l'une des pinces, une réaction de réduction de l'étain se produit :

Sn2+(solution) + 2e-→ Sn(solide)

L'étain est un métal qui précipite (forme un solide) sous la forme d'étain élémentaire solide. La dendrite d'étain se développe dans le sens où le courant électrique traverse la solution; d'une pince vers l'autre.

Plus de détails :

Les pinces crocodiles sont des conducteurs électriques, connus sous le nom d'électrodes. Une variété de types d'électrodes est disponible. Il est important de connaître les différents types qui ont été inventés et de comprendre le type que nous utilisons dans notre expérience. Les électrodes peuvent être en métal, en graphite ou en matériau polymère. Certaines d'entre elles participent à des réactions chimiques qui se produisent en solution (appelées électrodes consommables), d'autres sont chimiquement inertes (électrodes non consommables). Les électrodes de notre expérience sont des métaux inertes (non consommables).

L'étain se forme sur l'une des pinces comme une dendrite qui pousse directement vers l'autre pince. Pourquoi la dendrite n'apparaît-elle pas comme une sorte « d'ilot » près de la première pince ? La réponse est qu'une fois qu'un peu de dendrite d'étain s'est développé sur l'électrode, elle peut également conduire l'électricité. Par conséquent, elle agit comme une partie de l'électrode immergée dans la solution et ainsi, chaque nouvelle branche de dendrite se développe plus loin dans la solution.

Il est important de comprendre que les dendrites obtenues à partir de différentes solutions métalliques se développent de diverses manières, car chaque métal forme des cristaux uniques avec des propriétés uniques. L'étain a une structure cristalline très spéciale et forme des cristaux longs et fins, mais assez forts.

Qu'est-ce que l'électrolyse ?

L'électrolyse est un processus par lequel les réactions chimiques sont induites par un courant électrique. L'électrolyse a lieu lorsque le courant traverse une solution (ou une fusion) de certaines substances, appelées électrolytes. Les électrolytes sont des substances qui peuvent se diviser facilement en ions à l'intérieur d'une solution. Par exemple, le chlorure d'ammoniac (NH4Cl) forme deux ions en solution aqueuse :

NH4Cl → NH4+ + Cl-

L'électrolyse nous fournit un moyen de former de nouvelles substances, qui évoluent à partir de substances présentées en solution sous l'influence d'un courant électrique. Par exemple, le cuivre métallique (Cu) précipite à partir d'une solution de sulfate de cuivre (CuSO4). De tels produits peuvent également être formés par des réactions secondaires d'électrodes, par exemple l'oxydation du chlorure d'étain (II) (SnCl2) en étain (IV) (Sn4+) donne de l'oxygène (O2), qui évolue comme un gaz à partir de l'eau pendant l'électrolyse.

Plus de détails :

Qu'est-ce que le courant électrique ? C'est un flux de particules chargées. Ces particules sont des électrons (courant électronique) ou des ions (courant ionique).

Lorsque le courant électrique circule à travers les fils, il établit une charge négative sur l'une des électrodes (pinces) et une charge positive sur l'autre. Cela entraîne les ions à se déplacer dans la solution entre les pinces. L'électrode chargée positivement est appelée anode et les particules chargées négativement (anions) se déplacent vers cette pince. L'électrode chargée négativement est appelée cathode et les particules chargées positivement (cations) se déplacent vers cette électrode. C'est ainsi que le courant ionique se forme à l'intérieur de la solution.

Dans notre expérience, l'étain se dépose sur la cathode et se développe en une belle dendrite :

Cathode- : 2Sn2+(solution) + 4e-→ 2Sn(solide)

Davantage de réactions se produisent à l'anode. Le processus principal est la formation d'oxygène (O2) :

Anode+ : 2H2O – 4e- → O2 + 4H+

Au même moment, une réaction secondaire se produit entre l'oxygène en évolution et le chlorure d'étain (SnCl2) :

2SnCl2 + O2 + 2H2O → 2SnO2 + 4HCl

Vous devriez noter que l'oxygène, qui interagit avec l'étain, n'est pas réellement une molécule O2. C'est davantage comme de l'oxygène atomique – une particule très réactive qui participe à cette réaction. Il oxyde l'étain (II) (Sn2+) en étain (IV) (Sn4+). Un précipité blanc d'oxyde d'étain (IV) (SnO2) se forme.

Ce ne sont pas les seules réactions qui se produisent près de l'anode, mais il est inutile de rendre notre histoire plus compliquée, alors laissons-les de côté.

Pourquoi utilisons-nous le SnCl2 ?

Nous avons choisi le chlorure d'étain en raison de certaines propriétés spécifiques de l'étain. Premièrement, les cristaux d'étain forment des structures minces et longues; c'est parce que la vitesse de croissance des cristaux dans une direction est plus rapide que la vitesse de croissance des cristaux dans d'autres directions. Deuxièmement, l'étain est d'une couleur brillante, étincelante, argentée, ce qui explique pourquoi la dendrite est spectaculaire. L'étain est également un métal mou et malléable, ce qui diminue les risques que la dendrite se brise (en raison de son propre poids ou de son détachement de la pince). En effet, la dendrite d'étain flotte à la surface du liquide. De plus, l'étain métallique est suffisamment inerte à l'oxygène et l'humidité de l'air, de sorte qu'il ne se décompose pas pendant l'expérience. Enfin, la réaction de réduction de l'étain est assez rapide pour pouvoir observer la croissance des dendrites.

Peut-on obtenir des dendrites à partir de solutions d'autres sels ?

L'étain est le métal idéal pour cette expérience. De nombreux métaux forment un précipité lorsqu'un courant électrique circule à travers une solution de leurs sels, mais seul l'étain produit une dendrite aussi spectaculaire. Certains métaux, comme le plomb (Pb), s'écaillent de la surface de la pince, couche par couche. D'autres métaux, tels que le cuivre (Cu) ou l'argent (Ag), formeraient des structures poreuses faibles qui s'effondreraient sous leur propre poids.

Suivi

Nous avons préparé quelques idées pour que vous puissiez continuer cette expérience. Nous vous conseillons de toutes les lire, puis de choisir la plus intéressante pour vous.

La dendrite qui disparaît

Faites très attention d'éviter de secouer la table ou la boîte de Pétri pendant cette expérience. Pour réussir, la dendrite devrait être en contact avec la pince sur laquelle elle s'est développée. Assurez-vous que les pinces crocodiles sont solidement attachées à la boîte de Pétri. Il est préférable de cultiver une assez petite dendrite pour ce suivi – environ 1/3 de la boîte de Pétri en taille.

Maintenant, interchangez les pinces sur le bloc-piles. Pour ce faire, déconnectez-les toutes les deux du bloc-piles, puis reconnectez-les une à la fois. Regardez attentivement la dendrite ! Elle commencera à disparaître. Au même moment, une nouvelle dendrite commencera à se former du côté opposé.

Qu'est-ce qui se produit ? Nous avons changé la polarité de notre cellule. Maintenant, le courant électrique circule dans le système dans la direction opposée. C'est pourquoi l'ancienne dendrite commence à disparaître.

Snsolide – 2e- → Sn2+solution

Comment contrôler la croissance de la dendrite d'étain ?

Ce n'est pas très difficile de le faire ! Suivez les instructions indiquées au début. Lorsque la dendrite commence à croître à partir de l'une des pinces crocodiles, déconnectez l'autre pince de la paroi de la boîte de Pétri et déplacez-la. Assurez-vous que la pince reste immergée dans la solution de chlorure d'étain ! La dendrite essayera d'atteindre la pince que vous déplacez par le plus court chemin possible. Vous pouvez également retirer complètement la pince du côté de la boîte de Pétri pour la faire passer à travers le plat. Encore une fois, assurez-vous que la pince reste en contact avec la solution.

Hiéroglyphes : une expérience sur papier filtre

Assurez-vous de porter des gants de protection lors de cette expérience. Prenez du papier filtre ordinaire (un filtre à café ou du papier à dessin fonctionnerait). Coupez une pièce rectangulaire (4 х 8 cm ou 1,5 x 3,0 pouces). Si le papier que vous utilisez est multicouche et peut facilement être séparé en couches simples, il est préférable de prendre une seule couche. Humidifiez soigneusement le morceau de papier avec la solution de chlorure d'étain (faites-le dans une boîte de Pétri propre). Évitez l'utilisation de trop de liquide. Sortez le papier du plat et fixez-y deux pinces crocodiles aux extrémités opposées. Surveillez attentivement le papier : une petite dendrite d'étain apparaîtra progressivement à l'intérieur. Essayez de voir les « hiéroglyphes » en tenant le papier filtre près d'une source de lumière (mais assurez-vous que les pinces restent connectées au papier). N'oubliez pas de porter des lunettes de protection !

Comment la dilution de la solution SnCl2 influencera-t-elle l'expérience ?

Avant de commencer cette expérience, diluez la solution de chlorure d'étain avec deux fois la quantité d'eau. Ensuite, suivez les instructions.

La concentration des ions d'étain diminue à mesure que nous diluons la solution, ce qui ralentit la vitesse de croissance des dendrites. Les « branches » des dendrites se développent moins fréquemment et s'alignent perpendiculairement les unes aux autres. Finalement, toutes les branches seront beaucoup plus minces.

Ça, c’est intéressant !

Pourquoi avons-nous besoin d'un trombone ?

Répétons l'expérience. Cette fois, nous allons utiliser un trombone. Juste avant de connecter le bloc-piles aux pinces crocodiles, placez le trombone dans la solution de chlorure d'étain. Placez le trombone au centre, entre les deux pinces crocodiles, avec une boucle du trombone pointant vers une pince crocodile et la deuxième boucle pointant vers l'autre pince. Répétez l'expérience en suivant les instructions données.

La dendrite d'étain se développe sur l'une des boucles du trombone. De plus, elle pousse très vite !

Pourquoi cela se produit-il ? Le trombone divise la solution en deux parties. Les boucles du trombone participent à la réaction d'électrolyse en tant qu'électrodes (voir « En savoir plus  » dans la section « Qu'est-ce que l'électrolyse ? »). Il y a maintenant quatre électrodes dans notre système : deux pinces crocodiles (cathode et anode) et deux boucles de trombone (cathode et anode, aussi). La dendrite d'étain se développe à partir de chacune des deux cathodes. La cathode du trombone est située sur la boucle qui pointe vers l'anode de la pince crocodile. Le trombone est en métal, de sorte que le courant électrique qui le traverse est un flux d'électrons. Les électrons se déplacent à travers un métal beaucoup plus rapidement que les ions à travers une solution. Par conséquent, dans ce cas, le flux d'électrons se déplace beaucoup plus vite que le flux ionique. C'est la raison pour laquelle la dendrite se développe plus rapidement sur le trombone que sur la pince crocodile.

L'étain et les humains : une longue relation

Les humains ont découvert et commencé à utiliser l'étain il y a longtemps. Le point de fusion de l'étain est légèrement supérieur à 230oC. Il suffisait de mélanger du charbon avec de la pierre contenant de l'étain (le minerai de cassitérite contient de l'étain sous forme d'oxyde, SnO2) pour découvrir des gouttes de métal fondu dans un foyer.

L'étain, ainsi que le cuivre, est l'un des composants clés du bronze, qui était l'alliage le plus dur connu des êtres humains avant la découverte du fer. On ne pourrait trop insister sur l'importance de l'étain et du bronze : toute une période historique porte le nom du bronze – l'Âge du Bronze (il a duré environ 2000 ans !).