Électrolyse de l’eau

L'électrolyse de l'eau fait passer un courant électrique dans l'eau pour la séparer en hydrogène et en oxygène, qui montent en bulles aux deux électrodes, avec deux fois plus d'hydrogène que d'oxygène. Deux chimistes néerlandais ont décrit en 1789 la décomposition de l'eau par des décharges électriques ; la pile de Volta en a fait un procédé continu en 1800, et c'est aujourd'hui l'une des façons de produire de l'hydrogène.

Ce que c’est

L’électrolyse de l’eau consiste à séparer l’eau en ses deux éléments au moyen d’un courant électrique. Deux électrodes plongent dans l’eau et sont reliées à une source de courant continu. Des bulles d’hydrogène se forment sur l’électrode négative et des bulles d’oxygène sur la positive ; le volume d’hydrogène est environ le double de celui de l’oxygène, la proportion dans laquelle les deux gaz se combinent pour donner de l’eau.

Le procédé transforme de l’énergie électrique en énergie chimique stockée dans les gaz. Brûler l’hydrogène, ou le recombiner avec l’oxygène dans une pile à combustible, en restitue une partie. L’industrie produit l’hydrogène et l’oxygène dans des électrolyseurs, empilements de cellules où un séparateur tient les deux gaz à l’écart l’un de l’autre.

Comment ça marche

L’eau pure conduit très mal l’électricité ; on la rend conductrice en y dissolvant un peu d’acide, de base ou de sel. Dans le liquide, le courant est porté par des ions, des particules chargées qui dérivent vers l’électrode de signe opposé.

À l’électrode négative, la cathode, les électrons venus du circuit transforment les ions hydrogène ou l’eau en hydrogène gazeux. À l’électrode positive, l’anode, l’oxygène se dégage et des électrons retournent au circuit. Les deux gaz n’apparaissent qu’à la surface des électrodes, jamais dans le liquide qui les sépare.

Dans une cellule alcaline, un séparateur poreux laisse passer le courant par le liquide mais garde l’hydrogène et l’oxygène à part.

La matière des électrodes compte. Le platine et l’or ne sont pas attaqués et laissent partir les deux gaz. Le graphite, la mine d’un crayon, dégage lui aussi un gaz à chaque électrode, mais s’use peu à peu. Dans le tube d’eau de Nicholson et Carlisle, un fil de laiton noircissait là où le platine libérait du gaz. Les cellules alcalines industrielles ont employé des électrodes de fer, d’acier et de nickel ; le nickel est l’un des métaux qui résistent le mieux à la solution alcaline. Un chlorure dissous, comme le sel de cuisine, donne à l’électrode positive du chlore, un gaz toxique, à la place de l’oxygène.

Les électrolyseurs industriels sont de trois grands types. Les cellules alcalines emploient une solution d’hydroxyde de potassium ou de sodium avec un séparateur poreux. Les cellules à membrane échangeuse de protons utilisent un mince plastique solide qui ne laisse passer que les ions hydrogène. Les cellules à oxyde solide utilisent une céramique conductrice des ions oxygène et fonctionnent à très haute température, où la chaleur d’une autre source peut remplacer une partie de l’électricité.

Comment faire

Deux mines de crayon et une pile de 9 volts suffisent à décomposer l’eau ; les bulles sont plus nombreuses sur la mine négative.

Il faut deux crayons de bois, un taille-crayon, un carton rigide, deux cordons à pinces crocodiles, une pile de 9 volts, un verre d’eau et un peu de sel d’Epsom (sulfate de magnésium). Prenez du sel d’Epsom et non du sel de cuisine, qui dégagerait du chlore.

Taillez les deux crayons aux deux bouts pour dégager la mine. Dissolvez le sel d’Epsom dans l’eau. Enfoncez les crayons dans le carton et posez le carton sur le verre : les pointes basses trempent dans l’eau sans se toucher. Reliez chaque borne de la pile à la pointe haute d’un crayon par un cordon.

De fines bulles montent des deux mines, plus nombreuses sur le crayon relié à la borne négative : c’est l’hydrogène. Inversez les deux pinces sur la pile, et le flot le plus fourni passe sur l’autre crayon. Observez quelques minutes, puis débranchez la pile. Les pointes des crayons s’usent peu à peu pendant l’expérience.

Sécurité. Mélangé à l’air, l’hydrogène explose au contact d’une flamme et brûle d’une flamme presque invisible. Tenez flammes et étincelles loin du verre et laissez les bulles s’échapper : ne les recueillez jamais dans un tube ni dans un récipient fermé.

Histoire et évolution

La décomposition de l’eau de 1789 a utilisé les étincelles d’une machine à frottement chargeant des bouteilles de Leyde.

En 1789, deux chimistes néerlandais, Adriaan Paets van Troostwijk, négociant à Amsterdam, et le médecin Jan Rudolph Deiman, rapportent dans le Journal de physique qu’ils ont changé l’eau en « air inflammable » et en « air vital », c’est-à-dire en hydrogène et en oxygène, par des décharges électriques. Ils font traverser l’eau par les décharges d’une grande machine à frottement, accumulées dans des bouteilles de Leyde. Le fabricant d’instruments John Cuthbertson construit leur appareil. Les quantités de gaz sont infimes, et l’historien E. L. Scott note qu’ils ne purent établir de façon concluante la nature des gaz obtenus. Avec Cuthbertson, le médecin anglais George Pearson reprend ces essais dans les années 1790 et en donne une preuve plus convaincante. À Haarlem, Martinus van Marum conçoit en 1791 un appareil pour montrer l’opération inverse au Teylers Museum : l’hydrogène et l’oxygène, enflammés par des étincelles électriques dans un ballon de verre, forment de l’eau, et les gaz se combinent à raison de deux volumes pour un.

La pile change l’échelle de l’expérience. Alessandro Volta décrit sa pile en 1800 et, quelques semaines plus tard, William Nicholson et Anthony Carlisle relient une pile de 36 paires de demi-couronnes et de disques de zinc, séparées par du carton, à deux fils de laiton plongés dans un tube d’eau. L’hydrogène se dégage d’un fil tandis que l’autre noircit. Avec des fils de platine, ils obtiennent les deux gaz.

En 1902, plus de 400 électrolyseurs industriels fonctionnaient déjà. Certains produisaient l’hydrogène en électrolysant une solution de soude caustique entre des électrodes de fer. La cellule alcaline reste l’électrolyseur classique. Les cellules à membrane et les cellules céramiques à haute température sont venues ensuite, et les électrolyseurs vont aujourd’hui de l’appareil de la taille d’un électroménager à l’installation raccordée directement à une centrale électrique.