COMBINAISON DE L'HYDROGÈNE AVEC L'OXYGÈNE

§ 75. Nous connaissons deux combinaisons de l'hydrogène avec l'oxygène. La première combinaison, le protoxyde, n'est autre chose que l'eau*.

Protoxyde dC hydrogène- ou eau, H 0.

§ 76. Nous avons vu (§ 7i) que l'hydrogène, en brûlant dans l'air, donne naissance à de l'eau ; mais, pour que l'expérience soit concluante, il est nécessaire de dessécher complètement le gaz hydrogène avant de le brûler ; sans cette précaution on pourrait admettre que leau qui se dépose sur le corps froid a été apportée par les gaz humides et provient de la dissolution, dont la température s'élève toujours d'une manière notable pendant la réaction. On dispose alors l'appareil comme le représente la figure 146. En maintenant

*vhu était considérée par les anciens comme un des quatre éléments de la na-

lOi HYDROGÈNE.

au-dessus de la flamme une cloche iubulée légèrement inclinée, l'eau formée dans la combustion ruisselle sur les parois de la cloche, et peut être recueillie dans une capsule. On peut en obtenir ainsi une quantité aussi considérable que Ton veut.

§ 77. L'eau pure est sans saveur ni odeur; elle est incolore sous une petite épaisseur ; mais, sous une grande épaisseur, elle prend une nuance verdâtre très-prononcée.

L*eau prend Tétat solide dans les grands froids de Thiver. On a adopté pour zéro du thermomètre la température à laquelle ce changement d'état a lieu. Si Ton transporte dans un appartement chauffé un vase rempli de glace concassée ou de neige, la glace ne tarde pas à fondre, et, une fois que la fusion a commencé, un thermomètre placé dans le vase marque constamment la même température, jusqu'à ce que les derniers glaçons aient disparu. C'est cette température constante que l'on a prise pour un des points fixes du thermomètre, i/eau peut, cependant, être refroidie au-dessous de zéro sans prendre Tétat solide'; c'-est ce qui arrive, quand on la laisse refroidir lentement dans un vase à Tabri de toute secousse. On a vu ainsi Teau descendre jusqu'à — 12' (12' au-dessous de zéro) sans se congeler; mais, si Ton communique au flacon qui renferme le liquide quelques vibrations un peu fortes, ou mieux, si Ton introduit dans Teau un corps étranger, les glaçons se forment instantanément, la température remonte à zéro, et se maintient à ce point jusqu'à ce que toute l'eau soit solidiflée. Un phénomène semblable s'observe dans la fu< sion de tous les corps.

Le changement de l'eau liquide en glace est donc une véritable cristallisation par solidiflcation d'un corps fondu ; mais il est rare que cette cristallisation donne lieu à des cristaux reconnaissables : ce sont des aiguilles qui s'enchevêtrent les unes dans les autres et produisent des masses transparentes continues. On aperçoit, cependant, quelquefois des formes cristallines reconnaissables dans les petits glaçons qui se forment au milieu des eaux bourbeuses. Lorsque la température de l'air est inférieure à zéro, l'eau s'en sépare sous forme de neige ou de givre. Chaque flocon de neige est la réunion d'un très-grand nombre de cristaux qui se sont groupés. Au moyen d'une loupe un peu forte on reconnaît que les cristaux élémentaires sont des prismes ré-

ture. C'est seulement vers la (In du dix-huitième siècle que l'on reconnut que l'eau était un composé d'hydrogène et d'oxygène. Priestley observa le premier que, lorsque le gaz hydrogène brûle dans un vase de verre aux dépens de l'air ou du gaz oxygène, il se dépose une certaine quantité d'eau sur les parois du vase. Mais la composition de l'eau n'a été établie d'une manière incontestable que par les recherches à peu près simultanées de Watt, de Cavendish-et de Lavoisier.

guliers à 6 faces, allongés, qui se groupent en étoiles autour d'un centre, de manière à former toujours des angles de 60* et de 120*. Les n** 2, 5, 4, 5, 6, 7 et 8 de la figure 147 représentent quelques-uns des groupements les plus simples. Le givre nous présente souvent des formes moins compliquées :

on reconnaît quelquefois des paillettes B^IS^^^Bm? ^i^^BS8^^PM liexaédriques par- *^^ ^^

faitement régulières (nM).4^ forme cris- Fig. U7.

taliine de la glace appartient donc au système rhomboédrique.

L'eau augmente de volume en se congelant, de sorte que la densité de Teau liquide est plus grande que celle de Feau solide. Les corps liquides et solides augmentent de volume, se dilatent^ quand on élève leur température : Teau liquide présente une exception sous ce rapport, pour les premiers degrés de notre échelle thermométrique. Entre 0' et 4", Teau, loin de se dilater, se contracte; vers 4" elle présente un minimum de volume et par suite un maximum de densité. Au-dessus de 4° jusqu'aux températures les plus élevées où on Tait observée, elle se dilate d'une manière continue. On est convenu de prendre pour unité la densité que Teau présente à la température de 4', et on rapporte à cette densité celle des autres corps solides ou liquides. La densité de la glace se trouve ainsi représentée par 0, 94. La force avec laquelle Feau se dilate e/i se congelant est irrésistible, elle fait éclater les bombes les plus «paisses. Des pierres très-résistantes, mais poreuses, éclatent souvent pendant l'hiver, quand l'eau contenue dans leurs pores vient à geler.

C'est par suite de cette même dilatation que Feau contenue dans le tissu cellulaire des fruits et des légumes détermine, en se gelant, la rupture des vaisseaux capillaires, et expose ainsi au contact de Fair les substances qui y sont contenues ; la fermentation s'établit alors, et le fruit pourrit en peu de temps.

Lorsque de l'eau renfermant des sels en dissolution est exposée à une température inférieure à 0', il se forme de la glace d'eau pure, et les sels se concentrent dans la partie restée liquide. Cette propriété est utilisée dans les pays froids pour concentrer Feau de mer dont on cherche à extraire le sel.

§ 78. L'eau prend facilement l'état gazeux ; la température à la-

quelle ce changenienl d'état a lieu dépend de la pression de l'air. On a pris pour second point fixe du thermomètre, lequel est marqué 100 dans la division centigrade, la température à laquelle Teau bout sous la pression de 760 millimètres de mercure. La température à laquelle cette ébullilion a lieu diminue avec la pression, ainsi Teau bout sous une couche de glace dans le vide de la machine pneumatique.

L'eau est à l'état aériforme lorsque la température est supérieure à iOO*, et que la pression est moindre que O^JOO. Nous verrons, par la*: suâle, comment on peut déterctiiner expérimeotalement le poids d'un certain volume de cette vapeur et le comparer au poids d'un égal vohime d air atmosphérique considéré à la même température et sous la même pression ; nous appellerons ce rapport 1^ densite de la vapeur d'eau. Si nous déterminons sa valeur numérique pour des températures supérieures à 100% et successivement croissantes, nous reconnaîtrons qu'à partir de 1 30" environ ce rapport reste sensiblement constant pour toutes les températures supérieures, et qu'il est représenté par la fraction 0,622. C'est cette valeur que nous admettrons pour la densité de la vapeur d'eau. Nous définirons, par la suite, de la même manière, les densités des autres vapeurs.

L'eau abandonne des vapeurs très-sensibles à l'air : la formation de ces vapeurs est d'autant plus abondante que l'air renferme moins de vapeur d'eau, qu'il est plus éloigné de son point de saturation y et que sa température est plus élevée. On dit alors que l'eau s évapore à 1' ir.

L'air renferme toujours une certaine quantité de vapeur d'eau; il est très-près de son point de saturation dans les temps pluvieux et pendant l'hiver ; il en est, au contraire, souvent assez éloigné dans les journées chaudes de 1 été. Certaines substances jouissent de la. propriété d'enlever à l'air l'eau qu'il renferme, lors même que celui-ci n'est pas saturé, et de se dissoudre dans cette eau. Ces substances sont appelées substances déliquescentes; tels sont : le chlorure de calcium, la potasse, etc. D'autres substances renfermant de l'eau abandonnent facilement, au contraire, une partie de leur eau à l'air ambiant, si celui-ci n'est pas saturé, et tombent en poussière ; on les appelle substances efflorescentes. Le sulfate de soude est une de ces dernières substances. 11 est clair qu'aucun corps n'est efflorescent dans lair saturé d'humidité, et que tous les corps solubles y sont au contraire déliquescents.

Il arrive cependant quelquefois que des corps tombent en efflorescence en absorbant l'humidité de l'air. Cette circonstance se présente pour les corps cristallisés ou fondus, qui ont de l'affinité pour

Teau, et qui forment avec elle des combinaisons non déliquescentes. Le sulfate de soude fondu, exposé à Pair humide, absorbe de Tea^u et tombe en poussière.

§ 79. L>au la plus limpide des rivières et des sources n'est pas de Teau pure ; on s'en assure facilement en évaporant dans une capsule une petite quantité de ces eaux; il y reste toujours un résidu sensible. L'eau de pluie est de Teau à peu près pure; mais, comme elle tombe ordinairement sur les toits avant d être recueillie, elle dissout toujours une petite quantité de substances étrangères. On purifie Teau en la soumettant à la distillation. Comme on emploie souvent de grandes quantités d'eau distillée dans les laboratoires, on fait cette distillation en grand, dans des appareils que Ion ^[\pelle alambics. L'alambic (fig. 148) se compose d'une chaudière en

cuivre A, montée dans un fourneau en briques, et sur laquelle s'adapte un couvercle en forme de dôme B, terminé par un tuyau recourbé bcd qui communique avec un serpentin. Le serpentin est renfermé dans une grande cuve cylindrique pqrj en métal, et que l'on maintient pleine d'eau. L'extrémité du serpentin débouche en a au dehors de la cuve. On introduit par la tubulure t Teau que l'on veut distiller. Comme l'eau de la cuve, qui sert de réfrigérant, s'é-

J08 HYDROGENE.

cliaulTe néce^saireuieiit par suite de la condensation des vapeurs dans le serpentin, on est obligé de la renouveler de temps en temps. Le mieux est d'avoir un réservoir supérieur renfermant de Teau froide, et d'amener celle eau lentement par le tube extérieur TT', à la partie inférieure de la cuve. De cette manière, Teau froide se trouve toujours dans la partie inférieure, et Teau échauffée se déverse par la tubulure o placée à la partie supérieure. On peut régler l'arrivée de Feau froide de telle façon que Teau échauffée sorte en o à une température très- voisine de 100". Elle sert alors à alimenter la chaudière de Talambic; on économise ainsi le combustible.

On a souvent, dans les laboratoires, à distiller des liquides trèsvolatils dont la vapeur a besoin d'être refroidie pour ne pas donner de perte. On emploie alors un des appareils (lig. 149 et 150).

Dans la ligure i 49, le ballon A renferme le liquide à distiller. Le tube en verre abc fait Toffice du serpentin de Talambic il est maintenu dans un manchon en fer-blanc D Ë par des bouchons qui doivent fermer hermétiquement; rexlrémiié de ce tube pénétre dans un flacon qui sert de récipient au liquide distillé. Le manchon porte, en d, un tube surmonté d'un entonnoir par lequel on fait arriver Feau froide, et, en /", un tube recourbé par lequel s'écoule Feau échauffée.

Dans la figure 1 50, le liquide à distiller est placé dans une cornue dont le col s'engage dans un tube plus large, soudé au tube réfrigérant.

Les vases en verre dans lesquels on distille les liquides sont exposés à casser par suite de l'application inégale de la chaleur, lors-

lOD

qu'on les ch£^uffe à Taide de charbons placés dessous, ou à feti nu. Pour éviter ce'danger, on les chauffe souvent dans un bain de sable

contenu dans une chaudière métallique, commele montre la figure 150.

Lorsqu'on n'a que de très-petites quantités de liquide à distiller, on peut construire un appareil de cette espèce, simplement avec des tubes de verre et des bouchons de liège. On lui donne la disposition représentée par la figure 151.

§ 80. L'eau dissout un grand nombre de substances solides et liquides; en général, celles-ci se dissolvent en proportions d'autant plus considérables que la température est plus élevée; de sorte que, si Ton fait une dissolution de ces substances saturée à chaud, et qu'on l'abandonne ensuite au refroidissement, une partie de Li substance cristallise. Pour avoir le reste de la substance dissoute, il faut évaporer l'eau qui la maintient en dissolution. A cet effet, on met la dissolution dans une capsule en porcelaine, et on la chauffe au moyen de quelques charbons placés au-dessous, ou mieux, avec une lampe à alcool. Cette opération exige des précautions lorsqu'on ne veut pas perdre la moindre quantité de la matière en dissolution,

comme cela, est nécessaire dans les analyses chimiques. On ne doit pas alors chauffer la liqueur jusqu'à rébullilion, parce que les bulles de vapeur, se formant sur le fond chauffé de la capsule, viennent crever à la surface, et projettent infailliblement hors du vase de petites quantités de la dissolution. On fait souvent Tévaporation des liqueurs au bain-marie (fig. 452); on place la capsule de porcelaine

qui renferme la dissolution à évaporer sur une autre capsule en cuivre à rebords et remplie en partie d'eau que Ton chauffe avec une lampe à alcool. D'autres fois, on ne met pas d'eau dans la capsule en cuivre et on la chauffe avec la lampe; la capsule de porcelaine est alors chauffée dans un bain d air qui donne lieu à une évaporation trèsrégulière. Enfin, dans les laboratoires où Ton a un grand nombre de dissolutions à évaporer, on place toutes les capsules sur un même bain de sable chauffé avec du bois.

Il arrive souvent que Tévaporation doit être faite très-lentement et à une basse température. On place alors la capsule au-dessus d'une autre capsule en verre à large base, renfermant de Tacide sulfurique concentré, et Ton recouvre le tout avec une cloche de verre (fig. 153). L'acide sulfurique absorbe l'humidité de l'air à mesure que celui-ci en enlève à la dissolution. L'évaporation marche plus rapidement si l'on place les capsule? sous le récipient de la machine pneumatique dans lequel çn fait le vide.

§ 81. L'eau dissout également les gaz. La solubilité d'un même gaz dans l'eau est d'autant plus grande que la température est plus basse, et que la pression exercée sur la dissolution pai* Jsi portion du gaz non dissoute est Fig. 153. plus considérable.

Lorsqu'un certain volume d'eau se trouve dans une atmosphère limitée d'un gaz, l'eau en dissout une portion telle, que cette portion de gaz, occupant un volume égal à celui du liquide, possède une force élastique qui est une même fraction constante ^ de la près-

sion que le gaz non dissous exerce sur la dissolution. Cette fraction est tout à fait indépendante de la valeur absolue de la pression ; nous supposerons qu'elle est ^ pour Tazole, et J/ pour Foxygéne. Ainsi, lorsque 1 litre d'eau se trouve dans une atmosphère illimitée de gaz oxygène, il dissout une portion de ce gaz telle, que ce gaz, occupant le volume de 1 litre, aura la densité qui lui conviendrait sous la pression de^,h; h représentant la pression que le gaz oxygène non dissous exerce sur le liquide. Si, dans une seconde expérience, la pression du gaz i^on dissous est ^, le litre de gaz oxygène dissous aura la densité qui lui convient sous la pression ~> .^. Son pwds absolu sera donc 5 fois plus petit dans ce second cas que dans le premier.

Lorque Teau est .mise en présence d'une atmosphère formée par le mélange de deux ou de plusieurs gaz, elle dissout de chacun de ces gaz une quantité précisément égale à celle qu'elle dissoudrait si elle se trouvait en contact avec une atmosphère simple de ce gaz exerçant une pression égale à la fraction de la pression totale, qui lui appartient dans le mélange gazeux.

Ainsi l'eau, au contact de l'air, dissout une quantité de gaz azote égale à celle qu'elle dissoudrait si elle se trouvait en contact avec une atmosphère simple de ce gaz, exerçant une pression égale aux | de celle de l'atmosphère, c'est-à-dire ^.|, et une quantité d'oxygène 4» . I , égale à celle qu'elle dissoudrait si elle se trouvait en présence d'une atmosphère d'oxygène pur exerçant une pression 5 fois plus faible que celle de Tatmospère. Par conséquent, 1 litre d'eau dissout, au contact de l'afr, 1 litre d'oxygène avec la densité qui lui convient sous la pression J».|/i et 1 litre d'azote avec la densité qui lui ai^rtient sous la pressicn ^ . | /i. Si Ton veut ramener ces gaz sous la pression ordinaire de l'atmosphère, on se rappellera que les volumes des gaz sont en raison inverse des pressions qu'ils supportent. Par suite, 1 litre d'eau, au contact de l'air, dissout une fraction de litre ^/ . i d'oxygène, et une fraction de litre ^ . | d'azote, et, par conséquent, un volume total de gaz représenté par J, . | + ^ . | .

On peut facilement déterminer au moyen de l'expérience suivante le volume total du gaz dissous : on remplit entièrement d'eau un ballon de verre (fig. 454); on remplit également d'eau le tube abducteur, ce qui se fait facilement par aspiration, puis on enfonce le bouchon a dans le col du ballon ; l'eau déplacée sort par le tube et l'on obtient un appareil complètement rempli d'eau. On engage l'extrémité du tube recourbé sous une cloche pleine de mercure et placée sur la cuve à mercure \ et l'on chauffe le ballon. Lorsque la

* La cuve à mercure teprèsentée dans la figure 154 est une petite cuve en porcelaine» portaiit un banc échaiicré siir lequel on place la cloche^

température de l'eau s'approche de 40 à 50% on voit une foule de petites bulles se dégager sur les parois du ballon. On élève la température de Teau jusqu'à Tébullition, on la prolonge pendant t[uelques minutes, et la vapeur fait passer complètement Tair dégagé dans la cloche à mercure. On mesure le volume de Taif recueilli, et Ton compare ce volume à celui de Teau qui lui a donné naissance.

§ 82. L'eau se combine avec un très -grand nombre de substances. Avec les acides forts elle joue le rôle d'une base faible; elle se comporte au contraire comme un acide faible par rapport aux bases fortes.

L'eau entre en combinaison avec un grand nombre de sels quand on les fait cristalliser dans leurs dissolutions aqueuses ; le même sel se combine souvent avec des proportions d'eau très-différentes, suivant la température à laquelle la cristallisation a lieu.

§ 83. Analyse de Veau. — 11 s'agit maintenant de déterminer les proportions suivant lesquelles les gaz oxygène et hydrogène se combinent p ur former Teau. Pour cela, on introduit dans une même cloche, sur le mercure, des volumes bien cotinus de gaz hydrogène et de gaz oxygène, et on met le feu au' mélange. Les deux gaz se combinent suivant des proportions déterminées et forment de l'eau qui se condense sur les parois de la cloche. Gonmie celui des deux gaz qui a été mis en excès ne disparaît pas complètement, on mesure la partie qui reste, et l'on voit quels sont les volumes des deux gaz qui se sont combinés.

Pour faire cette expérience, il faut se procurer des cloches divisées en capacités égales et destinées à mesurer les gaz. On trouve ces cloches divisées dans le commerce; mais il vaut mieux les diviser soi-même, quand on veut être sûr de leur exactitude. On ^^ •" y procède de la manière suivante. On choisit une cloche ^^^ d'un verre très-pur, de i à 2 centimètres de diamètre in-

atérieur, et de 2 à 3 décimètres de longueur. On la dispose A dans une direction parfaitement verticale, le bout fermé en bas. On construit une mesure ou jauge A (fig. 155) avec Fig. 155. un petit bout de tube fermé dont on use les lords sur une pierre de grès bien plane afin que l'ouverture de la jauge puisse

être fermée exactement avec un petit plan de glnce dépolie B, On remplit cette petite jauge de mercure jusque par-dessus les bords, et Ton chasse l'excès du mercure en appliquant le plan de verre, Vobturateur, sur l'ouverture. On verse cette mesure dans la cloche que Ton veut diviser, et, au moyen d'une baguette de verre plein, que Ton promène sur les parois de la cloche, on fait disparaître les bulles d'air qui y restent adhérentes. Cela fait, on marque un trait bien fin avec un pinceau à l'endroit où s'arrête le niveau du mercure; on verse une seconde mesure de mercure dans le tube, on fait un nouveau trait, et ainsi de suite.

Il est clair que les intervalles entre deux traits consécutifs, ainsi marqués sur le tube, correspondent à des capacités égales, et, si la cloche n'est pas trop irréguliére, on peut admettre qu'elle conserve sensiblement le même diamètre dans chacun de ces intervalles. On peut d'ailleurs rendre ces intervalles aussi petits que l'on veut, en choisissant convenablement la jauge.

Après ce jaugeage préliminaire de la cloche, on la vide, et on la recouvre d'une couche mince du vernis liquide ordinaire des graveurs sur cuivre. Ce vernis est appliqué au pinceau ; il sèche rapidement, et conserve assez de transparence pour que l'on puisse apercevoir au travers les traits rouges marqués sur la cloche. On dispose alors la cloche sur une machine à diviser, et, au moyen d'un tracelet en fer, on trace sur la couche de vernis des divisions espacées de telle façon,* que chaque intervalle entre deux traits consécutifs du jaugeage renferme le même nombre de divisions égales. On fait un trait plus long à chaque cinquième division, pour faciliter la lecture, et on trace des chiffres à chaque dizaine avec une aiguille mastiquée dans un tube de verre, ou avec une plume métallique. On passe enfin sur les divisions un pinceau trempé dans une dissolution d'acide fluorhydrique. Cet acide jouit de la propriété d'attaquer et de dissoudre le verre; il attaque par conséquent la^ surface de la cloche partout où le vernis a été enlevé, et trace les divisions en creux.

Quand on achète les cloches toutes graduées et qu'on les destine à des expériences exactes, il est nécessaire de les vérifier. Cette opération se fait facilement au moyen de petites jauges semblables à celle qui nous a servi tout à l'heure pour calibrer notre cloche. On peut également faire cette vérification, en versant successivement dans la cloche des quantités de mercure que Ton pèse sur une balance. 11 est clair que, si la cloche est bien graduée, les volumes occupés par ces quantités de mercure doivent être proportionnels à leurs poids.

La cloche étant bien graduée, on y introduit un certain volume

A ^-îdrogéne que Ton mesure avec pré-

i ayant soin de descendre la cloche ive à mercure jusqu'à ce que le ninercure soit le même en dedans et de la cloche. Il est plus commode ^te mesure comme le montre la , dans une éprouvette en verre, dont transparentes permettent d'affleuexactement les niveaux du mercure la division. On fait passer, ensuite, lême cloche, une certaine quantité tygène, l'augmentation du volume donne la mesure. On introduit le lans un appareil qui porte le nom d'eudiomètre, et qui est disposé de façon que Ton puisse faire passer dans son intérieur uiie étincelle électrique. L'eudiomètre (fig. 157) se compose d'une cloche en verre très-épais, portant à sa partie supérieure une monture en fer a qui traverse la paroi du tube, et est mastiquée herniétiquement dans l'ouverture. Sur le côté de cette cloche, en ^, on a foré un second trou dans lequel a été mastiqué un gros jfil de fer dont le bout intérieur arrondi arrive jusqu'à une^ petite distance de la monture supérieure. L'extrémité extérieure de ce fil se termine en crochet. L'eudiomètrc rempli de mercure est retourné sur la cuve à mercure, et on y fait passer le mélange des deux gaz. On frotte à plusieurs reprises la surface de la cloche avec un linge chaud. On approche ensuite de la monture métallique a le plateau chargé d'Un électrophore, et, en même temps, on touche, avec l'autre main , le fil métallique b; l'étincelle électrique jaillit alors entre c et d, à travers le mélange explosif, et détermine son inflammation. On peut également faire communiquer la tige mé- ^ tallique b avec le sol, au moyen d'une chaîne en fer ^Ei qu'on attache au crochet by et qu'on laisse tomber sur le

mercure de la cuve.

Fig. 157. ^y moment.de la combustion, il y a dégagement d'une grande quantité de chaleur qui produit une dilatation considérable