Dendrite d'étain
Un arbre de métal se développe sous vos yeux !
Réactifs
Sécurité
- Portez des gants et des lunettes de protection.
- Réalisez l'expérience sur la feuille de protection.
- Respectez les consignes de sécurité lorsque vous travaillez avec des piles.
- 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.
- 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.
- 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
Essayez de placer la boîte de Pétri sur une surface horizontale, et agitez-la doucement. Si cela n’aide pas, ajoutez 1 à 2 cuillères à café d’eau.
Tout d’abord, essayez d’enfoncer les ressorts plus profondément sur la paroi de la boîte de Pétri.
Ensuite, assurez-vous que la solution s’est bien étalée pour recouvrir complètement le fond 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 café d’eau.
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 ressorts sont en contact avec les parties métalliques des fils, et non pas avec l’isolant.
· Assurez-vous que les ressorts touchent la solution.
· Et n’oubliez pas de vérifier la polarité des piles !
Oui, tout va bien. Ce ressort agit comme une anode dans cette cellule électrochimique. Toute réaction de décomposition de l’eau produit du dioxygène (O2) : ce gaz fait des bulles à travers la solution et la rend mousseuse.
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 au « – » du porte-piles, et le « + » au « + ». Insérez les piles neuves dans le porte-piles, en veillant à respecter 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.
Élimination des déchets
Éliminez les réactifs et les déchets solides avec les ordures ménagères. Versez les solutions dans l’évier et rincez abondamment avec de l’eau.
Description scientifique
Les piles sont essentiellement des pompes à électrons : elles aspirent les électrons avec leur « + » 
et les pompent à partir de leur « − » 
. Lorsqu'une telle pompe est connectée à une solution par l'entremise de « tuyaux électriques » (par exemple : des fils), diverses réactions chimiques peuvent se produire : par l'électrode « − » 
, certaines particules captureront les électrons qui se déversent et par l'électrode « + » 
certaines particules donneront leurs électrons.
Dans notre expérience, les ions d'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 de fer flottant aux alentours 
. C'est pourquoi l'électrode « + » finira certainement par se dissoudre, si vous ne la déconnectez pas.
Pourquoi la dendrite d'étain se développe-t-elle ?
En attachant les fils aux ressorts sur les bords de la boîte de Pétri, nous connectons la solution de chlorure d'étain(II) (SnCl2) aux piles. Une fois la connexion établie, le courant électrique commence à circuler dans la solution. Près de l'un des ressorts, 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 la direction prise par le courant électrique à travers la solution ; d'un ressort vers l'autre.
Plus de détails :
Les ressorts métalliques sont des conducteurs électriques, connus sous le nom d'électrodes. Il existe différents types d'électrodes. Il est important de connaître les différents types qui ont été inventés et de comprendre celui 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'un des ressorts comme une dendrite qui pousse directement vers l'autre ressort. Pourquoi la dendrite n'apparaît-elle pas comme une sorte « d'îlot » près du premier ressort ? La réponse est qu'une fois qu'un peu de dendrite d'étain s'est développée 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 présentes 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 ion étain(IV) (Sn4+) donne du dioxygène (O2) qui progresse vers l'état gazeux 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 (ressorts) et une charge positive sur l'autre. Cela entraîne les ions à se déplacer dans la solution entre les ressorts. L'électrode chargée positivement est appelée anode et les particules chargées négativement (anions) se déplacent vers ce ressort. 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 de dioxygène (O2) :
Anode+ : 2H2O – 4e− → O2 + 4H+
Au même moment, une réaction secondaire se produit entre le dioxygène en évolution et le chlorure d'étain (SnCl2) :
2SnCl2 + O2 + 2H2O → 2SnO2 + 4HCl
Notez que l'oxygène, qui interagit avec l'étain, n'est pas réellement une molécule de dioxygène O2. Il s'apparente davantage à de l'oxygène atomique : une particule très réactive qui participe à cette réaction. Il oxyde l'ion étain (II) (Sn2+) en ion 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 seule direction est plus rapide que la vitesse de croissance des cristaux dans d'autres directions. Deuxièmement, l'étain est de couleur argentée, brillante et scintillante, ce qui donne à la dendrite son aspect spectaculaire. L'étain est également un métal mou et malléable, ce qui diminue les risques de brisure de la dendrite (en raison de son propre poids ou de son détachement du ressort). En effet, la dendrite d'étain flotte à la surface du liquide. De plus, l'étain métallique est assez inerte vis-à-vis de l'oxygène et de l'humidité de l'air pour ne pas se décomposer pendant l'expérience. Enfin, la réaction de réduction de l'étain est suffisamment rapide pour que soit observable 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 du ressort, 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. Chaque métal a ses caractéristiques propres, formant des réseaux cristallins distincts et donc des cristaux aux propriétés uniques.
Suivi
Comment puis-je diriger la croissance de la dendrite d’étain ?
C’est assez facile, en fait ! Demarrez l’expérience comme indiqué dans les instructions. Lorsque la dendrite commence à se développer à partir de l’un des ressorts, commencez à déplacer l’autre ressort le long de la paroi de la boîte de Pétri, en vous assurant qu’il reste immergé dans la solution de chlorure d’étain. La dendrite croissante tentera « d’atteindre » le ressort en mouvement par le chemin le plus court possible. Vous pouvez également retirer complètement le ressort de la paroi de la boîte de Pétri pour le déplacer dans la boîte. Assurez-vous simplement que le ressort reste en contact avec la solution !
Comment la dilution de la solution SnCl2 influencera-t-elle l’expérience ?
Avant de commencer l’expérience, diluez la solution de chlorure d’étain avec de l’eau dans un rapport de 1 : 1. Continuez l’expérience, en suivant les instructions.
La dilution de la solution diminue la concentration des ions d’étain, ce qui ralentit le taux de croissance des dendrites. Les « branches » de dendrite seront alors moins nombreuses, et croîtront perpendiculairement les unes aux autres. Les branches seront également beaucoup plus fines.
Ça, c’est intéressant !
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 étant légèrement supérieur à 230oC, il suffisait d’ajouter une pierre contenant de l’étain à du charbon de bois (le minéral de cassitérite contient de l’étain sous forme d’oxyde, SnO2) pour découvrir des gouttes de métal fondu dans un foyer.
L’étain 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 2 000 ans !).
