L'électrolyse de l'eau

1. Le montage

On utilise un électrolyseur : une cuve contenant deux électrodes (en graphite ou en platine), reliées à un générateur de tension continue (6 V à 12 V). Au-dessus de chaque électrode, on retourne un tube à essais rempli d'eau pour recueillir le gaz qui s'y forme.

L'eau pure conduit extrêmement mal le courant. On y ajoute donc un peu d'électrolyte : quelques gouttes de soude ou d'acide sulfurique dilué. Cet électrolyte rend l'eau conductrice, mais il n'est pas consommé : à la fin, on le retrouve en même quantité. C'est bien l'eau qui est décomposée.

2. Les observations

Dès qu'on ferme le circuit :

• des bulles de gaz se forment sur les deux électrodes et montent dans les tubes, qui se vident peu à peu de leur eau ;
• le gaz s'accumule deux fois plus vite au-dessus de la cathode (électrode reliée à la borne −) qu'au-dessus de l'anode (électrode reliée à la borne +).

À tout moment, le volume de gaz à la cathode est le double du volume de gaz à l'anode.

3. L'identification des gaz

Gaz recueilli à la cathode. On approche une flamme de l'ouverture du tube : on entend une petite détonation, un « aboiement ». C'est le test du dihydrogène H₂.

Gaz recueilli à l'anode. On y introduit une bûchette qui présente seulement un point incandescent (rougeoyant, sans flamme) : elle se rallume vivement. C'est le test du dioxygène O₂.

4. L'équation-bilan

L'électrolyse de l'eau est une transformation chimique : un réactif (l'eau) disparaît et deux produits (le dihydrogène et le dioxygène) apparaissent. Son équation-bilan est :

2 H₂O → 2 H₂ + O₂

Vérification : à gauche, 2 × 2 = 4 atomes H et 2 atomes O ; à droite, 2 × 2 = 4 atomes H et 2 atomes O.

Cette équation explique le rapport des volumes : il se forme 2 molécules de dihydrogène pour 1 molécule de dioxygène. Or, dans les mêmes conditions de température et de pression, deux gaz ayant le même nombre de molécules occupent le même volume. On obtient donc deux fois plus de volume de dihydrogène que de dioxygène.

L'électrolyse de l'eau montre que l'eau est un corps composé, formé des deux éléments hydrogène et oxygène, dans la proportion de 2 atomes H pour 1 atome O : c'est la formule H₂O.

5. Les masses

Avec H = 1 et O = 16 :

• 2 molécules d'eau : 2 × (2 × 1 + 16) = 2 × 18 = 36 ;
• 2 molécules de dihydrogène : 2 × (2 × 1) = 4 ;
• 1 molécule de dioxygène : 2 × 16 = 32.

Donc 36 g d'eau se décomposent en 4 g de dihydrogène et 32 g de dioxygène. On vérifie la conservation de la masse : 4 + 32 = 36. En simplifiant par 4 : 9 g d'eau donnent 1 g de dihydrogène et 8 g de dioxygène.

Remarque : il y a deux fois plus de volume de dihydrogène, mais huit fois plus de masse de dioxygène, car le dihydrogène est un gaz très léger.

6. La synthèse de l'eau

On peut faire la transformation inverse. Si l'on enflamme un mélange de dihydrogène et de dioxygène, il se produit une explosion et il se forme de l'eau :

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

C'est la synthèse de l'eau. Elle libère beaucoup d'énergie. C'est ce que font, de façon contrôlée, les véhicules à hydrogène : ils recombinent le dihydrogène avec le dioxygène de l'air et ne rejettent que de l'eau. Attention : le mélange des deux gaz est explosif ; on ne le manipule jamais en grande quantité.

7. Une application d'avenir

L'électrolyse de l'eau permet de produire du dihydrogène, un combustible qui ne rejette pas de dioxyde de carbone. Si l'électricité utilisée vient de sources renouvelables (barrages hydroélectriques comme ceux de Kaléta et de Souapiti sur le Konkouré, panneaux solaires), on obtient un combustible propre. Aujourd'hui, cette méthode reste coûteuse, car elle consomme beaucoup d'électricité.