Explication d'une expérience de base sur la décomposition de l'eau
Mon fils essaie d'écrire une conclusion pour une expérience de décomposition de base de l'eau en utilisant une batterie 9 V (avec un tube à essai placé sur chaque borne) placée à l'intérieur d'une solution d'eau salée. Les résultats étaient les suivants: le tube sur la borne négative était presque complètement rempli de gaz vraisemblablement hydrogène tandis que le tube sur la borne positive ne contenait qu'une infime quantité de gaz vraisemblablement oxygène.
Son manuel n'expliquait pas ces résultats, sauf pour faire allusion au fait que les résultats étaient dus au fait qu'il y avait deux fois plus d'atomes d'hydrogène dans le produit. Il a plusieurs questions auxquelles je ne peux pas répondre.
- Si les molécules d'hydrogène et d'oxygène occupent la même quantité d'espace, alors pourquoi le tube au-dessus de la borne négative a-t-il beaucoup plus de deux fois plus de gaz que l'autre?
- La masse atomique de l'oxygène est près de 16 fois celle de l'hydrogène, alors même s'il y avait deux fois plus d'hydrogène dans le produit, l'oxygène ne prendrait-il pas encore plus de place?
Réponses
- Si les molécules d'hydrogène et d'oxygène occupent la même quantité d'espace, alors pourquoi le tube au-dessus de la borne négative a-t-il beaucoup plus de deux fois plus de gaz que l'autre?
Bonnes questions mais gardez à l'esprit que vous n'avez pas mentionné la concentration de chlorure de sodium. Si vous avez trop de sel dans l'eau, du chlore gazeux est produit (éventuellement de l'eau de Javel) au lieu de l'oxygène. C'est pourquoi vous n'avez pas vu le 1: 2 vol attendu. ratios.
Si possible, utilisez la concentration de sel la plus faible possible pour l'expérience ou mieux encore, pouvez-vous utiliser une petite quantité de sel d'Epsom? Il n'y a alors aucun problème de formation de chlore et seul l'oxygène gazeux se formera. Vous verrez certainement 1: 2 vol. rapport.
- La masse atomique de l'oxygène est près de 16 fois celle de l'hydrogène, alors même s'il y avait deux fois plus d'hydrogène dans le produit, l'oxygène ne prendrait-il pas encore plus de place?
Ce problème a été abordé par les scientifiques il y a longtemps. Le point clé est que si vous avez 1 milliard de molécules de$\ce{H2},$ et 1 milliard de molécules de $\ce{O2},$ils occuperont le même volume à une température et une pression données. Il y a une loi nommée derrière cela. Le volume des molécules est bien trop petit par rapport au volume qu'elles occupent.
Le rayon de la molécule d'oxygène est de 152 picomètres (symbole: $\pu{pm}$) et celle de l'hydrogène est de 120 picomètres $(\pu{1 pm} = \pu{10^{-12} m}),$ donc les masses et les volumes ne sont pas corrélés exactement.
L'électrolyse d'une solution de NaCl produit de l'hydrogène à la cathode, mais pas d'oxygène à l'anode. Chlore$\ce{Cl2}$est produit à l'anode, avec peut-être une petite proportion d'oxygène comme impureté. Malheureusement ceci$\ce{Cl2}$le gaz est relativement soluble dans l'eau. C'est pourquoi vous avez obtenu relativement peu de gaz à l'anode. Le mas des atomes n'a aucun effet sur le volume des gaz produits à chaque électrode.
L'oxygène est assez bien soluble dans l'eau, tandis que l'hydrogène est difficilement soluble. Selon la durée de l'expérience, cela pourrait expliquer la différence.
En ce qui concerne votre deuxième question: les gaz que vous rencontreriez raisonnablement dans les expériences scolaires peuvent bien être approximés par un gaz idéal , c'est-à-dire qu'ils occupent tous le même volume par quantité de substance.
Ces explications sont basées sur mon souvenir de ma propre éducation scolaire, alors prenez-les avec un grain de sel.
Quant aux remarques de M. Farooq et Maurice concernant la formation du chlore gazeux: Mon professeur a utilisé un acide doux (acide citrique ou similaire) pour produire les ions nécessaires pour conduire le courant électrique dans l'eau. C'est quelque chose que vous pourriez également essayer.
D'après ce que vous décrivez, je pense que les résultats dépendent beaucoup (1) du sel ajouté à l'eau pour améliorer la conductivité, et (2) de la composition des fils utilisés.
- Comme d'autres réponses le mentionnent, l'utilisation d'un électrolyte au sel de table (NaCl) peut produire et produira généralement du chlore gazeux à la borne positive (anode). En effet, le chlore est plus facile à produire que l'oxygène pour des concentrations de sel raisonnablement élevées. Vous remarquerez probablement une odeur de chlore s'il y a du chlore produit. Si vous avez utilisé du bicarbonate de soude comme électrolyte (ce que je recommande et que je pense faire pour une expérience plus facile à expliquer), seul de l'oxygène gazeux doit être produit à l'anode. Même avec seulement de l'oxygène, vous pourriez ne pas tout avoir dans un tube à essai, parce que ...
- Les fils peuvent réagir avec et utiliser l'oxygène ou le chlore produit à l'anode. Si votre solution est devenue verte / bleue (probablement des fils de cuivre) ou rouillée orange / marron (fer) pendant l'expérience, c'est probablement le coupable de l'emplacement de votre oxygène manquant. Vous extrayez de l'oxygène pur ou du chlore directement à la surface du métal, il est donc logique que le métal réagisse! Tout ce qui ne réagit pas avec l'électrode flottera dans votre tube collecteur.
Comme les réponses précédentes l'ont déjà mentionné, pour les gaz à des pressions raisonnablement basses (moins de ~ 5 atmosphères), toutes les molécules, quel que soit leur poids, occupent à peu près le même espace, vous pouvez donc vous en tirer avec la loi des gaz parfaits . Donc, doubler le nombre de molécules signifie doubler le volume.
Je suis sûr que vous avez déjà consulté la page Wikipédia sur l' électrolyse de l'eau , mais j'inclus le lien car il est probablement utile pour rédiger les résultats de votre fils. De plus, il contient de nombreux liens vers plus de références si cela ne vous suffit pas. Bonne chance avec le rapport!