Comment fabriquer de l'oxygène et de l'hydrogène à partir de molécules d'eau par électrolyse

L'opération qui consiste à obtenir à partir de l'eau (H₂O) de l'hydrogène et de l'oxygène au moyen d'un courant électrique porte le nom d'électrolyse. Cette expérience de séparation de deux gaz peut être faite à la maison avec peu de matériel sophistiqué. Elle peut être montée et conduite par des enfants sous la surveillance d'un adulte. Cependant, n'escomptez pas sauver la planète avec l'oxygène libéré dans l'air et l'hydrogène produit comme carburant : les quantités produites dans le cadre de cette expérience sont faibles, mais l'effet est quand même spectaculaire et le montage instructif.

Partie 1

Partie 1 sur 2:

Préparer une électrolyse de l'eau

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Versez 350 mL d'eau chaude dans un récipient adéquat. L'eau n'ayant pas besoin d'arriver jusqu'en haut, prenez un récipient, de préférence en verre, plus grand (500 mL, par exemple). L'expérience fonctionnera mieux avec de l'eau chaude, mais de l'eau froide fera aussi bien l'affaire ^{[1]XSource de recherche}.
- Quant à l'eau utilisée, vous pouvez aussi bien prendre de l'eau du robinet que de l'eau en bouteille.
- L'eau chaude a une viscosité assez faible, si bien que les ions, porteurs des charges, peuvent circuler plus facilement sans être trop freinés.
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Versez une cuillère à soupe (17 g) de sel dans votre eau. Versez-le progressivement tout en mélangeant avec une cuillère afin que le mélange soit bien homogène. Vous obtenez une solution saline électrolytique (c'est-à-dire chargée d'ions positifs comme négatifs ^{[2]XSource de recherche}).
- Le chlorure de sodium (en fait, le sel de table) est un bon électrolyte, c'est-à-dire qu'il va améliorer la conductivité de votre eau, la réaction chimique se fera mieux.
- Le courant qui va émaner de la batterie circulera avec moins de résistance entre les deux pôles que seront les crayons électrolytiques. Vous aurez un meilleur dégagement gazeux.
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Taillez les deux bouts de vos crayons à papier. Le but est d'avoir de chaque côté du crayon un morceau de graphite sur lequel vous allez pouvoir fixer, sans le casser, une pince crocodile, le graphite étant conducteur. Utilisez un simple taille-crayon pour dégager un bout de mine.
- Les deux mines de graphite vont servir en fait d'électrodes pour l'expérience, c'est par elles que circulera le courant généré par la batterie.
- Le graphite est imperméable et ne s'abimera pas pendant l'expérience, vous pourrez même par la suite utiliser vos crayons pour dessiner (après les avoir séchés).
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Découpez un rectangle dans un carton rigide. Vous pouvez prendre, par exemple, une boite à chaussures ou toute autre boite en carton épais. Découpez-la suffisamment large et longue pour qu'elle puisse être posée sur le récipient. Comme vous allez faire deux trous pour le passage des crayons, veillez à prendre un carton assez épais qui conservera malgré tout sa rigidité ^{[3]XSource de recherche}.
- Le carton n'est là que pour tenir les crayons dans une position donnée, à savoir que ces derniers doivent être partiellement dans l'eau et éloignés des parois du récipient.
- Le carton n'étant pas conducteur, il reposera donc sans inconvénient aucun sur le dessus du récipient : il n'interfèrera en rien dans l'expérience.
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Faites deux trous pour les crayons. Ces trous ne devront pas être trop larges, car les crayons seront maintenus par le carton. Le mieux est de faire une petite encoche avec un cutteur et d'y glisser le crayon de force. Essayez d'y parvenir d'un seul coup, sinon le trou sera trop large et le crayon ne tiendra pas. Une fois les crayons enfoncés sur un même niveau, ils ne devront pas se toucher l'un l'autre ni toucher le fond ou les côtés du récipient ^{[4]XSource de recherche}.
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Partie 2

Partie 2 sur 2:

Mettre en route une électrolyse de l'eau

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Branchez vos deux câbles sur les deux bornes de la batterie. La batterie est ici la source d'électricité et les deux câbles, munis de pinces crocodiles aux deux bouts, vont permettre de l'amener dans l'eau par le biais des mines. Un câble est donc branché sur la borne positive, l'autre sur la borne négative ^{[5]XSource de recherche}.
- Vous pouvez prendre aussi bien une pile de 6 V que de 9 V, la réaction se fera dans les deux cas.
- Ces batteries sont en vente dans les grandes surfaces généralistes ou les magasins de bricolage.
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Branchez chacun des câbles à un des crayons. La difficulté consiste à bien faire mordre les pinces dans le graphite et à ce qu'elles ne bougent plus. Si la mine n'est pas assez longue, essayez de la dégager un peu plus du bois avec un cutteur. Le branchement doit être net ^{[6]XSource de recherche}.
- Avec ce montage, du courant est envoyé dans l'eau, les ions du milieu aqueux sont activés et se dirigent vers les crayons (électrodes) et le circuit est fermé par le deuxième crayon relié à la borne négative.
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Plongez les crayons dans votre solution saline. Posez le carton transpercé des deux crayons sur le rebord du récipient. Les pointes des crayons doivent être sous l'eau et le plus droit possible. Déposez le carton délicatement pour ne pas déplacer les crayons.
- Si vous voulez que l'expérience fonctionne bien, veillez à ce que les crayons ne se touchent pas, non plus que les parois en verre du récipient. Si nécessaire, remontez ou descendez délicatement les crayons.
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Observez le résultat. Vous avez déclenché une oxydoréduction matérialisée par des bulles qui se forment sur les deux pointes de crayon. Sur le crayon branché sur la borne positive (anode) se forme de l'oxygène et sur l'autre crayon (cathode), de l'hydrogène, tous deux se séparent sous forme gazeuse, d'où les bulles ^{[7]XSource de recherche}.
- La réaction commence dès le moment où vous plongez vos crayons dans la solution saline… et que les câbles sont branchés à la batterie.
- La cathode dégagera plus de bulles, car il y a tout simplement deux fois plus d’atomes d'hydrogène que d'oxygène dans l'eau, la formule étant H₂O.
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Conseils

Si vous n'avez pas de crayons à mine en graphite, vous pouvez prendre du fil métallique, par exemple du fil électrique monobrin dont vous dénuderez les extrémités, qui sera branché exactement de la même façon.
Essayez avec deux batteries différentes. Cette expérience avec une batterie ayant une tension plus importante aux bornes déclenchera une électrolyse plus rapide, mais le rapport hydrogène/oxygène restera identique.

Avertissements

Avec une solution saline comme celle utilisée, il risque d'y avoir un tout petit dégagement de gaz chlore (Cl), lequel provient de la décomposition du sel de composition NaCl. Vous le sentirez peut-être, mais ce n'est pas dangereux avec cette faible quantité.
Si votre enfant veut faire cette expérience, c'est tout à fait possible. Même si le danger n'est pas bien grand, sont quand même en jeu de l'électricité et des gaz, tous deux inflammables dans certaines conditions. La présence d'un adulte est donc nécessaire.