Lycée · 10 min

Électrolyse de l’eau dans un voltamètre de Hofmann

Décomposer l’eau en hydrogène et oxygène et vérifier la loi de Faraday et le rapport de volumes 2 : 1.

Objectif

Vérifier que $n(\ce{H2}) = It/2F$ , que H₂ et O₂ se forment dans le rapport 2 : 1 et comment le volume dépend de $I$ et de $t$ .

Matériel et réactifs

Voltamètre de Hofmann contenant de l’eau rendue conductrice par un peu de sel ou d’acide dilué ; alimentation continue basse tension et ampèremètre.

Procédure

Réglez I = 1 A et t = 60 s et lisez les deux volumes.
Doublez la durée, puis doublez plutôt l’intensité. Comparez les volumes.
Réglez I = 1 A et t = 300 s et comparez le rapport des deux volumes.

À observer

À 1 A, 60 s donnent environ 7,6 mL de H₂ ; 300 s donnent 38,0 mL de H₂ et 19,0 mL d’O₂.
Le volume est proportionnel à la charge I·t : doubler l’un ou l’autre le double (2 A pendant 300 s : 76,1 mL de H₂).
L’hydrogène se forme à l’électrode négative et l’oxygène à l’électrode positive.

Explication

Cathode : $\ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}$ . Anode : $\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}$ . Bilan : $\ce{2H2O -> 2H2 + O2}$ . La charge $Q = It$ transporte $Q/F$ moles d’électrons ( $F = 96485$ C/mol), d’où $n(\ce{H2}) = It/2F$ et $n(\ce{O2}) = It/4F$ , donc le rapport 2 : 1. Les volumes utilisent $V_m = 24{,}47$ L/mol (25 °C, 1 atm) et négligent la solubilité des gaz et la vapeur d’eau : les mesures réelles sont un peu plus faibles.

Histoire de l’expérience

Quelques semaines après l’annonce de la pile de Volta, Nicholson et Carlisle décomposèrent l’eau avec elle en mai 1800 — et les électrolyses de Davy ouvrirent bientôt potasse et soude pour révéler potassium et sodium (1807). Les lois de Faraday de 1834 rendirent ensuite les bulles quantitatives : le volume de gaz compte directement les coulombs,

n(\ce{H2}) = It/2F

, exactement le bilan que réalise ce labo.

Chimistes associés

Michael Faraday Humphry Davy

Sujets liés

Électrolyse, corrosion et protection des métaux

Expérience virtuelle : un modèle simplifié pour construire l’intuition. Elle ne remplace ni le travail réel en laboratoire ni la formation à la sécurité ; ne la reproduisez pas chez vous sans encadrement.