Électrolyse de l'eau Guide

ChimieIntermédiaireTemps de lecture: 4 min

Aperçu

L'eau est essentielle à notre vie, mais avez-vous déjà réfléchi à l'énergie cachée à l'intérieur des molécules d'eau ? En 'électrifiant' l'eau, nous pouvons forcer la décomposition des molécules d'eau en hydrogène et oxygène. Ce n'est pas seulement une réaction chimique fondamentale, mais aussi la pierre angulaire de la future société de l'hydrogène vert. Cette expérience vous guidera à travers l'ensemble du processus d'électrolyse de l'eau et vous aidera à vérifier le rapport de volume magique de $2:1$ .

Contexte

La composition des molécules d'eau était autrefois un grand mystère dans l'histoire de la chimie. En 1800, quelques semaines seulement après l'invention de la pile voltaïque, les scientifiques britanniques William Nicholson et Anthony Carlisle ont découvert par hasard que lorsqu'un courant électrique traverse l'eau, des bulles se forment à la surface des électrodes. Cette découverte a prouvé pour la première fois que l'eau n'est pas un 'élément' unique, mais un composé qui peut être décomposé. Par la suite, le célèbre chimiste Michael Faraday a résumé les lois de l'électrolyse à travers de nombreuses expériences, posant les fondements de l'électrochimie.

Concepts clés

Électrolyse

Un processus dans lequel le courant électrique traverse une solution ou un électrolyte fondu, provoquant des réactions d'oxydoréduction aux deux électrodes et entraînant une décomposition chimique. Ce processus convertit l'énergie électrique en énergie chimique.

Cathode

L'électrode connectée à la borne négative de l'alimentation électrique. À la cathode, les ions hydrogène (ou molécules d'eau) dans l'eau gagnent des électrons et subissent une réduction, produisant de l'hydrogène gazeux.

Anode

L'électrode connectée à la borne positive de l'alimentation électrique. À l'anode, les ions hydroxyde (ou molécules d'eau) perdent des électrons et subissent une oxydation, produisant de l'oxygène gazeux.

Réaction de Décomposition

2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{électricité}} 2\text{H}_2 \uparrow + \text{O}_2 \uparrow

Une réaction dans laquelle une substance se décompose en deux ou plusieurs substances différentes. L'électrolyse de l'eau est une réaction de décomposition typique.

Formules et dérivation

Équation Globale de l'Électrolyse de l'Eau

2H_2O \xrightarrow{\text{électricité}} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow

Sous l'influence du courant continu, toutes les

2

molécules d'eau se décomposent pour produire

2

molécules d'hydrogène et

1

molécule d'oxygène.

Rapport de Volume des Produits

V(\text{H}_2) : V(\text{O}_2) = 2 : 1

À température et pression identiques, puisque le rapport des molécules produites est de

2:1

, selon la loi d'Avogadro, le rapport de volume est également de

2:1

Étapes de l'expérience

1
Préparation de l'Expérience
Observez le montage expérimental : deux tubes à essai remplis d'eau sont inversés dans le bac à eau. Cliquez sur 'Remplir les Tubes' pour vous assurer qu'il n'y a pas d'air à l'intérieur des tubes. Pourquoi les tubes à essai doivent-ils être complètement remplis d'eau ?
2
Régler la Tension
Faites glisser le curseur 'Tension CC'. La tension de décomposition théorique de l'eau est d'environ $1.23\text{V}$ . Il est recommandé de la régler entre $6\text{V}$ et $12\text{V}$ pour accélérer la réaction. Observez si des bulles sont produites lorsque la tension est insuffisante.
3
Démarrer et Observer
Cliquez sur 'Allumer'. Observez attentivement la vitesse de production de bulles aux deux électrodes : quelle électrode (positive ou négative) produit des bulles plus rapidement et en plus grande quantité ?
4
Découvrir la Relation de Volume
Attendez un moment et comparez les volumes de gaz recueillis dans les deux tubes à essai. Essayez d'estimer combien de fois le volume d'un tube est supérieur à l'autre. Cela correspond-il à vos attentes ?

Objectifs d'apprentissage

Confirmer que l'eau est composée d'éléments hydrogène et oxygène, ce qui en fait un composé plutôt qu'un élément.
Vérifier que le rapport de volume de l'hydrogène à l'oxygène produit par l'électrolyse de l'eau est constamment d'environ $2:1$ .
Comprendre comment l'énergie électrique entraîne des réactions chimiques non spontanées (réactions d'oxydoréduction).
Maîtriser la méthode de test de l'oxygène avec une allumette incandescente et de l'hydrogène avec une allumette enflammée.

Applications réelles

Production d'Hydrogène Vert : L'utilisation de l'énergie éolienne ou solaire pour électrolyser l'eau produit de l'« hydrogène vert » comme carburant propre à zéro émission.
Systèmes de Support de Vie : Dans les sous-marins ou la Station Spatiale Internationale, l'électrolyse de l'eau est une technologie clé pour recycler et régénérer l'oxygène afin de maintenir la survie des astronautes.
Galvanoplastie Industrielle : Utiliser le principe de l'électrolyse pour recouvrir les surfaces métalliques d'or, d'argent, de chrome, etc., à des fins de protection contre la corrosion ou d'esthétique.
Raffinage des Métaux : L'extraction ou la purification de métaux de haute pureté tels que l'aluminium, le cuivre et le magnésium par électrolyse est au cœur de l'industrie métallurgique moderne.

Idées reçues

Erreur

Le rapport de masse de l'hydrogène et de l'oxygène produits par l'électrolyse de l'eau est de

2:1

Correct

Incorrect. Le rapport

2:1

fait référence au nombre de molécules et au rapport de volume. Selon les calculs de masse molaire (l'hydrogène est

2

, l'oxygène est

32

), le rapport de masse devrait être

H_2 : O_2 = (2 \times 2) : (1 \times 32) = 1 : 8

Erreur

Une énergie illimitée peut être produite par l'électrolyse de l'eau

Correct

Incorrect. L'électrolyse de l'eau est un processus qui absorbe de l'énergie (réaction non spontanée). L'énergie libérée par la combustion de l'hydrogène produit ne dépassera jamais l'énergie électrique consommée lors de l'électrolyse, conformément à la loi de conservation de l'énergie.

Lectures complémentaires

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