Simulation de Électrolyse de l’eau

À propos de cette expérience

Fais passer un courant électrique dans l’eau : elle se décompose en ses éléments. Dans un voltamètre de Hofmann, les gaz s’accumulent dans deux tubes gradués : l’hydrogène au-dessus de l’électrode négative, l’oxygène au-dessus de l’électrode positive, et toujours environ deux fois plus d’hydrogène que d’oxygène. Augmente la tension, change la solution, ajoute un indicateur universel pour observer la formation d’acide et d’alcali aux électrodes, puis teste chaque gaz avec une bûchette incandescente.

Objectifs pédagogiques

Identifie les produits formés à la cathode et à l’anode lors de l’électrolyse de l’eau
Explique pourquoi le volume d’hydrogène est deux fois supérieur à celui de l’oxygène
Explique pourquoi il faut ajouter un électrolyte, comme le sulfate de sodium, à l’eau pure
Écris les demi-équations à chaque électrode
Calcule les volumes de gaz à partir de l’intensité du courant et du temps à l’aide de la constante de Faraday

Comment l’utiliser

1Choisis de l’eau pure et allume l’appareil à 6 V. Que remarques-tu au sujet du courant ? Choisis ensuite une solution de sulfate de sodium.
2Recueille du gaz pendant quelques minutes. Lis les valeurs des deux tubes et compare les volumes.
3Teste le gaz dans chaque tube à l’aide d’une bûchette enflammée. Quel gaz produit une petite détonation et lequel rallume une bûchette incandescente ?
4Après avoir ajouté de l’indicateur universel, décris la couleur près de chaque électrode. Quels ions se forment à chacune d’elles ?
5Diminue la tension progressivement. Détermine la tension en dessous de laquelle aucun gaz ne se forme.
6Utilise la charge transférée pour calculer la quantité de matière d’électrons, puis le volume d’hydrogène à raison de 24 L par mole. Compare-le au volume dans le tube.

Le modèle

2 H_{2} O (l) \to 2 H_{2} (g) + O_{2} (g)

Équation-bilan

cathode: 4 H_{2} O + 4 e^{-} \to 2 H_{2} + 4 OH^{-} anode: 2 H_{2} O \to O_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-}

Demi-équations dans une solution neutre

Q = I t, n (e^{-}) = \frac{Q}{F}, F = 96485 C/mol

Charge et quantité de matière d’électrons

n (H_{2}) = \frac{n ( e ^{-} )}{2}, n (O_{2}) = \frac{n ( e ^{-} )}{4}

Gaz produit par mole d’électrons

V = n \times 24 L/mol

Volume de gaz à température et pression ambiantes

Hypothèses

Le gaz ne se forme qu’au-dessus d’environ 1,8 V : 1,23 V est la tension minimale nécessaire à la réaction, et les électrodes ont besoin d’une tension supplémentaire (la surtension) pour produire des bulles.
Au-delà de cette tension, l’intensité du courant est déterminée par la résistance de la solution, qui dépend de l’électrolyte. L’eau pure contient très peu d’ions et conduit à peine.
Chaque électron produit du gaz (rendement faradique de 100 %) et aucun gaz ne se dissout dans l’eau. Les volumes sont indiqués à 20 °C et 101,3 kPa.
Le sulfate de sodium, l’acide sulfurique et l’hydroxyde de sodium ne font que conduire le courant. Leurs ions ne sont pas déchargés, donc les produits sont toujours l’hydrogène et l’oxygène.
Le temps s’écoule plus vite. À 6 V, le tube d’hydrogène se remplit en une dizaine de minutes en temps réel.

À essayer en classe

Q1Un courant de 0,5 A circule pendant 10 minutes. Quel volume d’hydrogène et d’oxygène est recueilli ?
Q2Pourquoi l’indicateur devient-il violet près de la cathode et rouge près de l’anode ?
Q3Dans un voltamètre réel, le volume d’oxygène est souvent légèrement inférieur à la moitié du volume d’hydrogène. Propose une raison.
Q4Pourquoi une solution de chlorure de sodium serait-elle un mauvais choix d’électrolyte pour cette expérience ?
Q5Combien de temps faudrait-il pour recueillir 1 litre d’hydrogène avec un courant de 2 A ?

Foire aux questions

Pourquoi ajouter du sulfate de sodium s’il ne réagit pas ?

L’eau pure ne contient que de très faibles quantités d’ions H⁺ et OH⁻ ; elle conduit donc très mal le courant. Le sulfate de sodium apporte beaucoup d’ions qui transportent le courant dans la solution, tandis que c’est toujours l’eau elle-même qui est oxydée et réduite aux électrodes.

Pourquoi le rapport des volumes est-il de 2 : 1 ?

Chaque molécule d’hydrogène nécessite 2 électrons et chaque molécule d’oxygène en libère 4. Le même nombre d’électrons circule dans les deux électrodes, donc il se forme deux fois plus de molécules d’hydrogène. Un même nombre de molécules de gaz occupe un même volume (Avogadro), ce qui double le volume.

Que se passe-t-il avec une solution de chlorure de sodium ?

Les ions chlorure sont oxydés à l’anode à la place de l’eau, surtout dans une solution concentrée, ce qui produit du chlore gazeux toxique. La cathode produit toujours de l’hydrogène. Il s’agit du procédé chlore-alcali utilisé dans l’industrie, et non d’une expérience sans danger à réaliser en classe.