Combinaison de l’hydrogène avec l’oxygène

Jusqu’à la fin du 18e siècle, l’eau, ainsi que l’air étaient considérés comme des éléments chimiques à proprement parler.

Vers l’année 1781, Priestley, Watt et Cavendish reconnurent que l’hydrogène, en brûlant dans l’air, produit de l’eau. En 1789, Lavoisier démontra que l’eau est composée d’hydrogène et d’oxygène, et que ces deux gaz forment, en se combinant entre eux, une quantité d’eau représentée par la somme de leurs poids.

Analyse et synthèse de l’eau

On prouve que l’eau est formée d’oxygène et d’hydrogène :

1. En enflammant un jet d’hydrogène sec au-dessous d’une cloche, on la voit se recouvrir intérieurement de gouttes d’eau dont le nombre augmente tant que dure la combustion.
2. En mettant l’eau en contact avec des métaux qui la décomposent, soit à froid, comme le potassium, soit à une température élevée, comme le fer, l’étain, etc. Dans cette décomposition, l’oxygène de l’eau se combine aux métaux et l’hydrogène se dégage.
3. En décomposant l’eau à l’aide d’une pile, l’oxygène se rend au pôle positif et l’hydrogène au pôle négatif. Le volume du premier de ces gaz est sensiblement la moitié de celui du second.

A représente une pile, B un vase de verre dont le fond est traversé par deux fils de platine qui sont recouverts de petites cloches graduées remplies d’eau.

On rend ce liquide bon conducteur de l’électricité en le complétant d’un peu d’acide sulfurique. Dès qu’on met chaque fil de platine en contact avec les rhéophores (cordons métalliques particulièrement souples et recouverts de soie) de la pile, l’eau se décompose ; l’oxygène se porte au pôle positif C et l’hydrogène au pôle négatif D.

Ces expériences ayant démontré que l’eau est formée d’hydrogène et d’oxygène, il reste à fixer exactement le rapport de ses deux éléments.

Des analyses eudiométriques (procédé d’analyse des gaz par combustion) faites avec le plus grand soin par Gay-Lussac et de Humboldt démontrent que l’eau est formée de deux volumes d’hydrogène et d’un volume d’oxygène.

Si l’on introduit en effet dans un eudiomètre 200 volumes d’hydrogène et 200 volumes d’oxygène, et que l’on fait passer dans le mélange une étincelle électrique, la combinaison se fait aussitôt, l’instrument se recouvre intérieurement d’une couche d’humidité et il reste dans l’eudiomètre 100 volumes d’oxygène pur, qui peuvent être entièrement absorbés par le phosphore. Il résulte donc de cette expérience que 200 volumes d’hydrogène se sont combinés avec 100 volumes d’oxygène pour former de l’eau.

On fixe avec précision, par la synthèse, la composition pondérale de l’eau, en réduisant un poids connu d’un oxyde (oxyde de cuivre par exemple), par de l’hydrogène pur et sec ; la composition de l’eau se réduit du poids de l’eau formée pendant l’opération.

Soit P un poids connu d’oxyde de cuivre, P’ son poids après la réduction (c’est-à-dire le poids du cuivre). P - P’ donnera le poids de l’oxygène contenu dans l’oxyde. En pesant exactement l’eau produite, et en retranchant du poids de cette eau le poids de l’oxygène P - P’, le reste donne la quantité d’hydrogène unie à l’oxygène pour former de l’eau.

On a donc déterminé ainsi le poids des deux éléments qui constituent l’eau.

La méthode précédente a été appliquée pour la première fois à la synthèse de l’eau par Berélius et Dulong. Ces chimistes avaient trouvé que 100 g d’eau étaient formés de 88,91 g d’oxygène et 11,09 g d’hydrogène. La méthode de Berélius et Dulong a été perfectionnée ensuite par Dumas. Nous donnerons ici quelques détails sur l’appareil que Dumas a employé pour déterminer la composition de l’eau au moyen de la synthèse. Dumas s’est surtout attaché à purifier complètement l’hydrogène, et à produire dans chaque expérience une qualité d’eau qui s’élevait en général à 50 ou 60 grammes.

L’hydrogène obtenu par la méthode ordinaire, au moyen du zinc, de l’eau et de l’acide sulfurique du commerce, peut contenir des vapeurs nitreuses, de l’acide sulfureux, de l’hydrogène carboné, de l’acide sulfurique et l’hydrogène arsénique. Pour avoir l’hydrogène dans un état de pureté absolue, il est indispensable d’opérer avec un acide sulfurique débarrassé d’acide sulfureux et d’acide azotique.

Les autres corps étrangers proviennent du charbon, du soufre et de l’arsenic contenus souvent en petites quantités dans le zinc du commerce. Le gaz s’en dépouille en traversant trois tubes en U remplis de fragments de verre humectés de diverses dissolutions : l’hydrogène carboné est retenu par de la potasse caustique ; l’acide sulfhydrique par de l’azotate de plomb; l’hydrogène arsénique par du sulfate d’argent ou du bichlorure de mercure.

L’hydrogène se dessèche en passant dans une résine de tubes qui contiennent de l’acide sulfurique et de l’acide phosphorique anhydre divisé par des fragments de pierre ponce. L’oxyde de cuivre est placé dans un ballon en verre très dur, pouvant supporter une chaleur rouge pendant une journée entière sans se déformer. Le ballon est chauffé au moyen d’une forte lampe à alcool.

Le ballon contenant l’oxyde a été soumis d’abord à une déshydratation prolongée ; on y fait le vide avant de commencer l’opération. L’eau formée dans l’expérience se condense dans un ballon, puis dans une série de tubes desséchants, destinés à retenir la vapeur aqueuse entraînée par l’hydrogène en excès.

La synthèse de l’eau se fait en plusieurs étapes successives :

1. Dégagement d’hydrogène dans l’appareil pour en balayer l’air
2. Pesée du ballon plein d’oxyde de cuivre et vide d’air
3. Pesée des appareils destinés à retenir l’eau
4. Ajustement de l’appareil
5. Réduction
6. Refroidissement du ballon, le courant d’hydrogène étant maintenu
7. Pesée du ballon froid et vide d’hydrogène
8. Balayage de l’hydrogène des appareils qui contient l’eau, au moyen d’un courant d’air sec.

Il résulte des nombreuses expériences faites par Dumas que l’eau est formée de 100 g d’oxygène pour 12,50 g d’hydrogène.

La composition de l’eau en centièmes devient alors : Oxygène : 88,888 ; Hydrogène : 11,112 : EAU : 100,000.

On peut aussi déduire la composition de l’eau des densités de l’oxygène et de l’hydrogène.

On a vu que l’eau est formée de deux volumes d’hydrogène et d’un volume d’oxygène : 0,13852 = 2 fois la densité de l’hydrogène ; 1,10563 = 1 fois la densité de l’oxygène. Ces nombres sont entre eux comme 12,50 et 100. Pour déterminer le rapport qui existe entre le volume de l’eau et les volumes des gaz qui la constituent, il suffit de comparer la densité de la vapeur d’eau avec la somme de la densité de l’oxygène et du double de la densité de l’hydrogène.

La densité de la vapeur d’eau déterminée par Gay-Lussac est 0,624, et d’après M. Regnault 0,622.

En ajoutant au double de la densité de l’hydrogène = 0,43582, la densité de l’oxygène = 1,10563, la somme 1,24445 se confond exactement avec le double de la densité de la vapeur d’eau.

On voit donc qu’un volume d’oxygène et deux volumes d’hydrogène représentent deux volumes de vapeur aqueuse, ou qu’un volume de vapeur d’eau est formé d’un volume d’hydrogène et d’un demi-volume d’oxygène.

En résumé, l’eau contient en centièmes 88,888 d’oxygène ; 11,112 d’hydrogène.

En équivalents, elle est formée d’un équivalent d’oxygène = 100 et d’un équivalent d’hydrogène = 12,50.

En volumes, elle contient deux volumes d’hydrogène et un volume d’oxygène représentant deux volumes de vapeur aqueuse.