Semaine Nationale de la Chimie - Expériences - Electrolyse d'une solution aqueuse

Résumé

Une solution aqueuse est électrolysée en utilisant une batterie de 9V. Il est possible d'observer des phénomènes à l'électrode. La cinétique des réactions peut être changée. De telles électrolyses donnent lieu à de nombreuses applications industrielles. .

Matériaux

Une batterie commerciale (9V), 2 fils conducteurs tel que du fil de cuivre, (des pinces alligator ou des feuilles d'aluminium sont facultatives), papier filtre à café, pots de verre ou de plastique.

La solution A est fabriquée en ajoutant environ huit cuillerées à thé de sel de table (chlorure de sodium) et quelques gouttes d'une solution de phénolphtaléine à 500 mL d'eau. Lorsque nécessaire (voir note 1), du vinaigre (acide acétique dilué) doit aussi être ajouté. La solution B doit contenir du chlorure de sodium, mais la présence de phénolphtaléine et de vinaigre (en d'autres termes, l'utilisation d'une solution semblable à la solution A) ne compromettra pas l'expérience.

Procédure

Version 1

1. Remplir les deux pots jusqu'aux trois quarts environ avec respectivement la solution cathodique (solution A) et la solution anodique (solution B). Placer les deux pots à côté l'une de l'autre.
2. Insérer un fil dans un pot et l'autre fil dans le deuxième pot. Brancher le fil de la solution A à la borne négative de la batterie et le fil de la solution B à la borne positive de la batterie.
3. Plier le papier filtre à café et immerger les extrémités dans les deux pots de façon à former un pont entre les deux solutions.
4. Observer ce qui se produit après que le papier filtre à café sec a été mis en place (voir notes 2 et 3).

Version 2

1. Placer deux cuillères de métal ou des feuilles d'aluminium pliées en opposition dans un pot vide, prenant soin que les les deux pièces de métal ne se touchent pas (voir note 4). En utilisant les fils conducteurs, brancher une des pièces de métal à la borne négative et l'autre à la borne positive de la batterie de 9V.

   Remplir le pot jusqu'à un maximum des trois quarts avec de l'eau (voir note 5). Observer si quelque chose se produit.

   Puis saupoudrer du sel dans l'eau. Observer ce qui se produit (voir note 6).

Notes

1. Le vinaigre est utilisé pour garder la solution A légèrement acide de façon à prévenir la couleur rouge d'apparaitre prématurément (parce que la solution est trop basique). Si la solution est rouge, il faut donc ajouter goutte à goutte du vinaigre à la solution bien agitée jusqu'à ce que la couleur rouge disparaisse.
2. Après avoir mis en place le papier filtre à café sec, les deux solutions commenceront à mouiller le papier. L'électrolyse ne démarrera pas avant que le papier faisant le pont entre les deux solutions ne soit mouillé en continu.
3. La couleur rouge apparaitra d'abord autour du fil cathodique (solution A) et gagnera en intensité à mesure que l'électrolyse progresse. Plus tard, la solution A peut être agitée pour distribuer la couleur dans toute la solution. Cette couleur rouge indique que la solution devient basique (formation d'hydroxyde). L'intensité de cette couleur rouge peut être ajustée par le dosage de la phénolphtaléine.
4. En utilisant des pinces alligator pour faire les contacts, il devrait aussi être plus facile de fixer des pièces de métal comme des feuilles d'aluminium sur les bords du pot. Toute autre alternative pour espacer et tenir en place les deux électrodes peut aussi être considérée.
5. Une addition lente d'eau devrait éviter d'obtenir des bulles d'air collées à la surface des pièces de métal. Lorsque de l'eau distillée ou deionisée est utilisée, aucune réaction (aucune formation de bulles) ne devrait d'abord être observée. Il est possible d'ajuster cette première observation en utilisant un autre type d'eau tel que l'eau du robinet. Noter aussi que, dans la version 1, n'importe quel type d'eau donnera le même résultat.
6. Après qu'un généreux dégagement de bulles aura été observé, ce phénomène peut être arrêté et démarré à nouveau en brisant et refaisant un contact à n'importe quel endroit du circuit.
7. Parce que les deux versions se complètent, ces deux versions pourraient être effectuées par le démonstrateur au cours de la même session. Dans la version 2, l'addition de sel de table (un électrolyte) démarre l'électrolyse à un rythme significatif. Ceci équivaut au mouillage du papier filtre de la version 1 (voir note 2).
8. A la cathode, la réduction de l'eau produit de l'hydrogène (H₂, les bulles) et de l'hydroxyde de sodium (NaOH, la couleur rouge). A l'anode, l'oxydation du chlorure produit du chlore (Cl₂, la couleur verdâtre qui apparait après un moment). Ces produits sont formés lorsque les compartiments de la cathode et de l'anode sont gardés séparés (version 1). Un autre produit, l'hypochlorite de sodium (NaOCl), est formé par réaction entre l'hydroxyde de sodium et le chlore, lorsque les compartiments de l'anode et de la cathode ne sont pas séparés (version 2).
9. Les réactions décrites dans la note 8 sont utilisées pour fabriquer ces produits: le draino (l'hydroxyde de sodium), l'eau de Javel (l'hypochlorite de sodium), un désinfectant pour l'eau (le chlore), un combustible (l'hydrogène). Ces produits sont aussi des réactifs de départ pour fabriquer plusieurs autres produits.

Reférences

Cette expérience fut d'abord mise au point au milieu des années 1980 par le Dr. Roger N. Renaud, maintenant retiré du Conseil Nationale de Recherches du Canada. Depuis, plusieurs versions différentes de cette expérience ont été présentées dans les écoles primaires par lui-même et d'autres membres de la section Ottawa de l'ICC. Des expériences d’électrolyse semblables sont décrites dans Exploring Chemistry, Canadian Society for Chemistry, Vol 1, 9-10 (1996), ou dans Pleins Feux sur la Chimie, Canadian Society for Chemistry, Vol 6, 6 (1996).