Questions aux experts
Matière et matériaux
D'où vient l'eau produite par la combustion de la bougie ?
Question posée par les élèves du CM1-CM2 à partir du travail effectué en classe :
- Étude des gaz, liquides, solides
- Étude de la constitution de l'air (découvert : oxygène, vapeur d'eau / donné : azote, hydrogène, argon...)
- Étude de la constitution de la matière : atome, molécule, interaction et assemblage
En faisant brûler une bougie dans une bouteille fermée, vide et sèche, on a eu l'impression que les parois s'humidifiaient.
- sachant que l'air contient de l'oxygène et de l'hydrogène
- sachant que l'eau est formée d'oxygène et d'hydrogène, est-il possible que nous ayons fabriqué de l'eau. Sinon comment fabriquer de l'eau à partir d'oxygène et d'hydrogène ?
Réponse de Jean Matricon
L'air contient de l'oxygène, mais absolument pas d'hydrogène. En revanche, la bougie en contient, sous forme de composés de carbone et d'hydrogène qui, lors de la combustion, se combinent à l'oxygène de l'air pour donner respectivement du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau. C'est celle-ci qui a été observée sur les parois de la bouteille.
La fabrication directe d'eau à partir d'hydrogène qu'on fait brûler dans l'air ne pose aucun problème si ce n'est celui de la sécurité, car la réaction est violente et peut devenir explosive. Formellement déconseillée dans une classe.
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Vous avez bien formé de l'eau au cours de la combustion de la bougie. En revanche, cette eau ne provient pas du tout de la réaction entre l'oxygène et l'hydrogène de l'air (la quantité d'hydrogène est beaucoup trop faible).
La bougie que vous avez brûlée est constituée d'un hydrocarbure solide. Cela signifie que sa combustion dégage du gaz carbonique et de la vapeur d'eau. Cette vapeur d'eau s'est condensée sur les parois de la bouteille, car elle est froide (c'est comme la formation de buée sur les vitres en hiver : l'humidité de l'air se condense sur les vitres refroidies par la température extérieure).
Pour former de l'eau à partir d'hydrogène et d'oxygène, il faut que le mélange de gaz soit stœchiometrique, c'est à dire qu'il faut mélanger un volume d'oxygène avec deux volumes d'hydrogène (H2O). Il faudra en plus apporter une flamme pour provoquer la réaction. Je vous déconseille de réaliser cette expérience si vous n'êtes pas habitué(e), car elle peut-être dangereuse : il s'agit d'une "explosion", qui peut être violente si les quantités sont importantes.
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C'est une véritable réaction chimique: il y a une réelle transformation des liaisons entre les atomes puisque les atomes de zinc du zinc métallique, initialement liés par ce qu'on appelle la liaison métallique , deviennent des ions Zn++, donc des atomes qui ont perdu deux électrons, alors que les ions H+ de la solution acide sont devenus des atomes de d'hydrogène liés deux par deux pour donner les molécules de dihydrogène gazeux qui s'échappent du milieu réactionnel.
S'il s'agissait d'une simple dissolution, comme celle du sel ou du sucre dans l'eau, par évaporation de l'eau on récupérerait le produit de départ (le sel ou le sucre solide) Il n'en ait rien avec le zinc et l'acide : après réaction, si on évapore, on ne récupère plus le zinc métallique, mais un sel de zinc (sulfate ou chlorure suivant la nature de l'acide) qui apparaît comme un solide blanc. Il y a bien donc eu transformation chimique, donc réaction.
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Pour répondre à la question sur le zinc et l'acide chlorhydrique, il s'agit absolument d'une réaction chimique, avec transformation du métal zinc en ion Zn++. Dans une dissolution, l'élimination du solvant redonne le produit initial, alors qu'ici, l'élimination de la phase aqueuse laissera du chlorure de zinc, poudre blanche qui n'a plus rien de commun avec le métal de départ.
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Il faut plutôt parler de réaction chimique, car il y a effectivement réaction entre le zinc et les ions H+ contenus dans la solution d'acide chlorhydrique. Une dissolution ne modifie pas l'état d'oxydation du soluté (le produit que vous voulez dissoudre), c'est à dire que le soluté n'échange pas d'électron au cours de la transformation.
Dans le cas du zinc dans de l'acide chlorhydrique, le zinc métallique (Zn) que vous introduisez au départ réagit pour former un cation (Zn2+) : l'atome de zinc a perdu des électrons et devient soluble, alors que le zinc métallique ne l'était pas.
Prenons maintenant le cas de l'ammoniaque : NH3 est un gaz très soluble dans l'eau. Au cours de la dissolution, le gaz passe dans le liquide et chaque molécule d'ammoniaque est entourée par des molécules de solvants : l'eau. En revanche, la molécule n'échange pas d'électrons et reste la même : NH3. Il s'agit dans ce cas d'une dissolution.
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Non, l'air ne contient pas d'hydrogène
Par contre, la bougie est constituée de substances (comme la paraffine) qui sont constituées d'atomes de carbone et d'atomes d'hydrogène.
Dans la combustion, l'air apporte l'oxygène nécessaire à la combustion qui transforme les atomes de carbone en molécule de gaz carbonique (CO2) et les atomes d'hydrogène en molécules d'eau (H2O). Donc la bougie qui brûle dans la bouteille fermée fabrique bien de l'eau qui se dépose sur les parois de la bouteille.
Pour fabriquer de l'eau à partir d'oxygène et d'hydrogène, on peut faire brûler l'hydrogène dans l'oxygène (dans un chalumeau par exemple; on obtient une température très élevée et de l'eau qu'on ne voit généralement pas car elle s'échappe sous forme de gaz).
Dans les cabines spatiales, on fabrique également de l'eau à partir d'hydrogène et d'oxygène dans ce qu'on appelle des piles à combustibles; elles transforment les deux gaz oxygène et hydrogène en courant électrique d'une part (comme une pile ordinaire), et en eau qui est récupérée.