HYDROGÈNE

Préparation de Phydrogène par Feau* — Parmi les pluî^ imporlani^ et le!5 pliiis répandus des coiiiposés de ro^Ljgt'^ue se trouve IV-aLi. Celte subàlaaee contient, :i pari l\ixjgèiie, un autre élément fpi\in prtil isoler en enlevant à Teiiu cet Gxj^^éne. On peut se servir pour celii du fer porté au rouge. Nous avons vu, page 77, que le fer se conibîne avec l'os y ^è ne à une i e m pé rature assez élevée. Si l'on porte au roup^ dans un tube des fils de fer, de la tournure de fer, ou du fer réduit eu petits fragments par un procédé quelconque, et qu'on fasse passer par-dessus de la vapeur d'eau, elle se transforme en un gaz que Ton peut recevoir, comme roxvgène, sur la cuve a eau {fig\ 20).

Fig. 30.

Propriétés caractéristiques. — Le gaz recueilli ressemble, coinine aspect extérieur, à raxvgéne; il est dépourvu, comme lui^ de couleur, d'udeur et de saveur ( " ), et sa solubilité dans Feau est faible. Mais on

(' ) Le gaz qu'on otîtîent en faisant agir de la va|>eur d'eau sur da fer ordîiiatre pré^diiie uoe odeur désagréable rjui rappelle celle du pétfote; mais cette odeur lît^ut k ce que le fei^ ordinaire contient du carbouc qui dunne lieu A la formation d'«iutrei» substances ^ eltt^' ne ae produit pas quand on emploie du fer pur«

HTDROGÉNE. 99

le distingue facilement de l'oxygène au moyen de la réaction caractéristique de ce gaz.

Un bout de bois en ignition placé dans Fhydrogène ne s'enflamme pas, mais au contraire s'éteint tout à fait. D'autre part, si l'on introduit dans le gaz un bout de bois enflammé, ce bout de bois s'éteint lui aussi, mais le gaz s'allume et brûle avec une flamme pâle. Ainsi l'hydrogène n'entretient pas la combustion du bois, mais il brûle luimême dans l'air.

Reoherche de l'oxygène de Feau. — Si l'on examine ensuite le fer, on trouve qu'il s'est transformé en une masse d'un gris noirâtre, cassante, qui présente les mêmes propriétés que la substance produite par la combustion du fer dans l'oxygène, et qui est en eflet elle aussi un oxyde de fer. Le phénomène peut donc être représenté de la façon suivante :

Eau -+- Fer = Hydrogène -+- Oxyde de fer.

Autre mode de préparation de l'hydrogène. — L'expérience que nous venons de décrire est d'une très grande importance historique, car elle a servi en son temps à établir la nature composée de l'eau, qui était jusqu'alors considérée comme un élément. Mais ce procédé fournit des quantités d'hydrogène relativement faibles et il est d'une application incommode.

On le rend beaucoup plus aisé en employant, au lieu de fer, un métal qui décompose l'eau dès les basses températures. C'est le cas des métaux légers, et par exemple du magnésium. Si l'on prend du magnésium en poudre, sous la forme où on l'emploie en photogra.phie pour obtenir soudainement une lumière éclatante, et qu'on verse de Teau sur cette poudre, à la température ordinaire il ne se produit aucun effet; mais il suffit de chauffer l'eau jusqu'à sa température d'ébullition pour obtenir le dégagement lent d'un gaz, qu'on recueille de la manière habituelle, et qui est bien de l'hydrogène, car on trouve qu'il brûle avec la flamme bleue pâle caractéristique.

On peut activer beaucoup le dégagement gazeux en dissolvant dans l'eau employée un peu du sel appelé chlorure de magnésium. Ce sel n'intervient pas dans le phénomène, mais il dissout l'oxyde de magnésium produit et débarrasse la surface des fragments métalliques du revêtement qui s'oppose à l'action de l'eau.

Enfin, il y a même des métaux légers qui décomposent l'eau avec énergie dès la température ordinaire. Ainsi agit, par exemple, le sodium (p. 63). Si l'on met un morceau de ce métal en contact avec

CUAPtTBE VI.

dégage

de l'eau, il se produit une réaclion trt^s énergique, avec

inciil de chaleur si considérable que le mêlai se liquéfie. Pour

recueillir le gaz qui se dégage on peul procéder de h iiianiL-re sui-

vanle.

On met uu peu de sodium sur l'eau de la cuve, cl, en se servanl d'une cuiller en fil de fer que l'on lienl renversée, on enfonce le sodium dans l'eau (/»^. ui). Le gaz pnjdult traverse les mailles du fUei cl gagne le haut de la cuve, tandis que le métal est retenu. En tenant

h cuiller sou» un lube ren- '''8- '"• ^ersé cl plein d'eau, qu'on a

placé dans la cuve, on peut recueillir le gaz el vérifier que c'est de l'hydrogi'îne.

Ou t'*^"' *"**' enNclopper le sodium dans du papier fdtre, et, à l'ai'le d'une [lince, le porter rapidement soua rorilice du tube. L'eau ne péni'tre jusqu'au luétal qu'après quelques instants; le sodium s'élùve dans le tube, et c'est là qu'il réagit avec l'eau el produit du gaz. Dans ce cas aussi on reconnaît h nature du gaz à sa coinbuslibililé. ^

Le gaz ainsi obtenu brille ordinairement avec une flamme qui nest pas bleue, mais jaune. Gela provient de ce qu'il renferme des gouttelettes où se trouve le composé du sodium qui vient de se former; c'est celle substance qui donne à la ilamme sa couleur jaune, l'our l'éviter il faut laisser le gaz reposer un certain temps, jusqu à ce que les goullelelles liquides se déposent.

. Force» « chimiques. - Si l'on compare les méthodes par lesquelles «n obtient l'oxygène avec celles qui servent A préparer l'bydruyéne, on trouve entre elles une différence essentielle. L'oxyde de mercure Ctle clUorale de potassium se décompose.il à une température assez élevée sans rinlervenlio» chimique d'aucune autre substance, eu donnant leur oxygène d'une part, et d'autre part leur autre partie ronslilHlive. Au contraire, dans lu pré|)aratlon de 1 hydrogène, l'autre partie constitutive de l'eau ne se sépare pas à l'état délémenl, ■nais entre dans une autre eombimiisou. Et mOme la préparation de l'hydrogène par l'eau a lieu d'autant i>luâ facilement que la fiialmn

IIYDROGàNE. loi

(le Toxygène par Tau Ire substance se produit avec plus d'énergie, autrement dit, que le composé ainsi formé est plus stable.

Les choses se passent d'une manière analogue dans un grand nombre de cas. Si nous avons un composé A + B des substances A et B, et si nous mettons en contact avec lui la substance C qui peut former avec A une combinaison très stable, il se produit ce composé A + C et en même temps la substance B.

Pour représenter ces relations on s'est servi d'une image qui est encore très employée aujourd'hui, bien qu'elle soit inexacte sur des points importants. On imaginait dans les diflférentes matières des forces au moyen desquelles elles pourraient se lier les unes aux autres. Si la force qui agit de A sur C, et réciproquement, est plus grande que la force entre A et B, C mis en présence de la substance A -h B la décomposera ; A sera lié, retenu par C, et B sera chassé de sa combinaison avec A et mis en liberté.

Pour le cas présent on admettait qu'entre l'oxygène et l'hydrogène il s'exerce une force plus petite qu'entre l'hydrogène et le fer; l'eau se trouvant exposée à l'action du fer, la force la plus petite est surmontée par la plus grande, et l'hydrogène est chassé de l'eau par le fer, qui agit plus énergiquement.

Une étude plus précise des phénomènes chimiques a établi que c'est là une image impropre, qui représente certains faits d'une façon grossière, mais qui est en contradiction avec d'autres faits. Cependant elle a été si longtemps employée en chimie qu'elle est entrée dans la langue chimique courante, et pour comprendre cette langue il est nécessaire de connaître cette image, bien qu'il vaille mieux ne pas l'employer. Nous donnerons bientôt une explication plus satisfaisante des phénomènes en question.

Préparation du gaz hydrogène par les acides. — Les expériences ci-dessus décrites, dans lesquelles on se sert de l'eau pour obtenir de l'hydrogène, ne sont pas d'une réalisation commode, surtout quand il s'agit d'obtenir le gaz en grandes quantités. Dans ce but il vaut mieux décomposer, non pas l'eau, mais d'autres combinaisons de l'hydrogène. 11 y a parmi les nombreuses combinaisons de l'hydrogène une catégorie particulièrement riche et importante, celle des acides. Ces combinaisons ont pour propriété de perdre leur hydrogène quand on les soumet à l'action des métaux. L'intensité de l'action varie suivant la nature des acides et des métaux, et, comme il existe une grande variété de ces substances, il faut choisir celles qui conviennent le mieux à notre but.

Qoo^Q:

to^

Pîg, -Ï3.

Cdfïiiiifï m/tal approprié va preiirl le zinc (p. fiG), el comme ad<le rucide C'hlorlijdriqm^* Si Ton met ces deux matières en présence, dès la tempéniture f ordinaire il se produiL une ruaclîon énergique, âu moyen de laquelle on peuL obtenir commodément des quanti lés d' hydrogène aussi gi"andes que Ton veut.

On peut d<unier aux appareils des disposilioiiii très diverses* La figure ^'À représente une disposition 1res pratique. Le zinc est contenu dans un flacon auquel, outre le gouli*t ordinaire, on donne

intcnlionneileiiient un goulot itiférieur., qu'on ferme par un bouchon muui d'un robinet. Le goulot sujîérieur est fermé herméliqueincnl par un bouchon percé de deux Irotis^ par lesquels paï^^senl un entonnoir réglable el un tube de verre. L'entonnoir diflére d'un enlonnoir onlinaire en ce qu'il est muni en son milieu d'un robinet qui permet de faire à volonté couler ou séjourner le liquide qtril conLîcnl, Le tube de dégagement du gaz porte un tuyau de caouuhouc auquel se raltaehent les autres pirlies de r^ipiinri'il.

Vonr produire un dégagement d'hydrogène, il n'j a qu'à remplir Tenlonnoir d'acide chlorhydrique el à ouvrir le robinet avec précaution, de telle sorte que Tijcide arrive sur le zinc goutte à goutte. Chaque goutte fournil i m média le ment du gaz, et en ouvra ni convenablement le robinet on peut obtenir la vitesse de dégagement c[ue Ton vcul. Quand on n'a [dus bcsaîn Je gaz, on ferme complélement le robinet et Tappareil est prêt à servir de nouveau. Si le liquide remplit presque entiéreinent le ilacun, on en relire par le robinet inférieur.

11 est souvent commode de reni[dacer Fcntonnoir par un second llacon à goulot inférieur, et relié par un tuyau de caoutchtmc avec le goulot inférieur du premier flacon. On place sur Le tuyau une pince en {îï de laiton, <[ui Tublure |)ar compression. Le se*!imd llacon est rempli d'acide chlorhydrique et placé à un niveau plus élevé que le premier (yî^, aS), Au moyen d'une vis on peut desserrer la pince tic telle sorte que l'acide arrive youtle par goutte sur le zine; le dégagement d'hydrogène commence aussitôt el Ton peut ensuite le réglera volonlé.

HYD106BNE.

io3

La figure 24 représente une autre disposition qui est moins bonne, mais qui trouve souvent son emploi. L'appareil de Kipp, comnie on l'appelle du nom de son inventeur, comprend à sa partie inférieure le double récipient AB, dont les deux sphères ont chacune un goulot latéral, et à sa partie supérieure l'entonnoir sphérique C,

Fig. 23.

Fig. 24.

dont le long tube va jusqu'au fond de A et est rodé sur le col de B. On place en B le zinc, en C l'acide; le tube de dégagement du gaz est relié au goulot latéral de B et fermé par un robinet. Le fonclionneiiient a lieu de la manière suivante.

Si l'on ouvre le robinet H, il s'échappe d'abord de l'air de l'appareil; l'acide coule de C en A et, après avoir rempli A, arrive sur le zinc placé en B. Alors commence le dégagement gazeux, et l'hydrogène dégagé s'échappe par le robinet H. S'il se produit plus de gaz que le robinet n'en laisse passer, l'acide est refoulé de B en A et en C, il cesse d'être en contact avec le zinc, et le dégagement s'interrompt, ou, du moins, se ralentit. Inversement, si l'on enlève plus de gaz, il arrive plus d'acide au contact du zinc et le dégagement devient plus actif. Ce réglage spontané est un avantage de l'appareil. Mais il j a cet inconvénient que l'acide frais provenant de C se mélange en A avec l'acide déjà partiellement usé, et perd ainsi une partie de son activité chimique. Aussi ne peut-on pas utiliser intégralement l'acide, comme dans l'appareil décrit en premier lieu.

Dessiccation des gaz. — L'hydrogène que l'on obtient de cette façon en quantités aussi grandes que l'on veut n'est pas absolument pur; il se mélange de vapeur d'eau au contact des liquides étendus

lô| CHAPITRE VI.

employés à sa prëparalion. Pour l'en débarrasser, on le fait |jaî»âi!rsur ih^ snbstanresqui retiennent Veau en s'y combinant* Il y a beaucoup de nuilières de ce genre; une des plus commodes est le chlorure de cale lu m ^ sel blanc fusible que Ton obtient comme produit accessoire dans beaucoup d'industries c1umi<pjes, et tpie Ton a par suite à très bon compte. On remplit <Ie ce sel un tube que Ton intercale sur le trajet du gaz hydrogène, en le raltaehant directement et de la manière la plus simple à l'appareil de dégagement {Jig* aii et a4).

Une substituée desséchante beaucoup plus active est Tacide solfurique concentré. Comme c'est un liquide, on le place dans un Fîg. 35. flacon laveur (fiff. ^5) disposé de telle sorte que le

~= f^^ gaz traverse le Hijuîde bulle par bulle. Ou bien on le O répand sur quelque substance qui olIVe une surface

étendue et n'est pas attaquée par T acide, par exemple des fragments de verre, ou |)lut(it de la |>ierre ponce. On peut disposer cette pierre ponce dans des tubes comme uti corps sobde quelconque, mais il faut tenir compte de ce que Facide sulfurique augmente de volume en absorbant Teau et coule vers les parties inférieures de l'appareil; aussi, le fond de Tappareil doit être disposé pour recueillir Tacide qui y tombe. La ligure ifi re|îré^ente une tour de dessiccation qui remplit ces conditions. Klle est destinée à du gaz [iroduit en grandes quantités. On peut y employer aussi le chlurure de calcium.

Outre la vapeur d'eau, Thydrogène coutient sou-

ide par décompoduquel il est obtenu (p. loo). Cgû gouttes traversent les tlacons laveurs, mais sont arrêtées sûrement par un tampon de ouate.

Nous ne nous occuperons pas de diverses autres impuretés qui se trouvent ordinal rem eut dans l'hydrogène en quantités d'ailleurs très faibles, et qui, généralement, sont sans importance dans les reeliercbes <]u*on a à faire sur ce gaz. Ces traces de substances étrangères dissimulent seulement le fait que riiydrogène pur est absolument inodore; Thydrogènc impur [u'é sente une odeur qu'on lui fait perdre en le purifiant par des procédés convenables (').

Fif . a6. j^jl Outre la vapeur d'eau, Thydrog^

^ ' I II vent ih; très Unes gouttes du ljqui< ^^ "Isltion duquel il est obtenu (p, u

(^) On peut se sir^ii- pour cette puriflcation d*urve solution de permanganate de potaMâ^ qu'oa met âia& un Oacoa laveur par Icqud on l'ait passer Je gaz»

HYDROGÈNE. Io5

Propriétés physiques de l'hydrogène. — La propriété la plus frappante de cet élément est sa faible densité. Comme nous Tavons déjà signalé, de toutes les substances connues, c'est lui qui a la densité la plus petite.

Si Ton prend un ballon de contenance égale à i' environ et fermé par un boucbon muni d'un bon robinet de verre, on trouve, en pesant ce ballon une première fois rempli d'air, et une seconde fois absolument vide, une différence de poids d'un peu plus de i*. Si l'on prend le même ballon vide et si on le remplit d'hydrogène à la pression atmosphérique, la différence est seulement de o*, i , plutôt un peu moins. Cela prouve que l'hydrogène est au moins dix fois plus léger que l'air. Des expériences précises donnent le rapport i : i4j4»

Si l'on compare les poids de volumes égaux d'oxygène et d'hydrogène à o** et sous la pression atmosphérique, on trouve qu'ils sont dans le rapport i5,88 à i, autrement dit de i6 à i,oo8.

Comme i*""' d'oxygène pèse, dans les conditions normales, 0^,0014*^9, le poids de i*^"' d'hydrogène, autrement dit son poids spécifique dans les conditions normales, est de 0,0000900.

Poids molaire. — Cette relation existe, venons-nous de voir, entre les deux gaz pris dans les conditions normales. Mais, étant donné que la loi des variations de température et de pression est la même pour tous les gaz (p. 83), on trouve la même relation en comparant les densités de l'hydrogène et de l'oxygène à des températures et des pressions quelconques, pourvu seulement que les deux gaz comparés présentent des températures et des pressions égales. Si donc on compare le poids d'un gaz, pris à une température quelconque et à une pression quelconque, avec le poids d'un volume égal d'un gaz type pris dans les mêmes conditions, on obtient comme expression du rapport un nombre constant, indépendant de la température et de la pression, et déterminé uniquement par la nature du gaz.

Le gaz qu'on emploie comme gaz normal n'est pas une substance existante, mais un gaz fictif, qui est Sa fois plus léger que l'oxygène. Nous expliquerons plus tard la suite des circonstances historiques qui ont conduit à adopter ce nombre; pour le moment il suffit d'énoncer le fait.

Le rajgport du poids d'un gaz donné au poids d'un volume égal du gaz normal dans les mêmes conditions est ce qu'on appelle or- Jmairëment son poids moléculaire. Comme ce nom dérive de certaines idées hypothétiques sur la constitution des gaz, idées qui ne sont pas nécessairement liées aux faits d'expérience, nous pensons

Qoo^Q:

(|if il y a intër^t à lui âubâliltiêr iioe au Ire expression ^ e( noiîs emploierons dans la suite celle de poids molaire.

Comme lo u^z normal est, d'apivs su défînilioUj Sa fois plus léger que fôxygène, sa densité absolue k l'état nonnal, c'est-à-dire a o" et snus là pression de 76'^™, est de o«, oooo44*^*5j ^t son volume spéciliijue est égal ù 223ûo£^< Co!j deux nombres ont une importance considérable.

On trouve donc le poids molaire cfun gaz en divisant son poids G par le poids d'un volume é^^\ t- du *^az normal sous la même pression p et k la même température t* Ce poids g, conforniéiuenl i* Ij formule de la page 87 j est

j^ — 0,00004 4 6fî

pi^

7(j(| -r- OjOO^iî;^)

le volume étant mesuré en centimètres cubes et la pression en centimètres de mercure. Conformément à lu délhiition du poids molaire, G étant le poids du gaz^ son poids molaire est - • En rem[da<^'ant g par sa valeur, en introduisant la température alïsolue T^^'ijS-i-', et en elTee tuant les opérations sur les facteurs nuinérit|ues, on trouve

Poids molaire ^ (vjiîa — •

D'aprt'S la déiinition, le ^oids molaire de Poxjgène est égal^â S-à. Oes données numériques énoncées au sujet de rhjdrogène, il résulte (jue son poids molaire est 2, or fi,

il résulte tle tout ceci que 1 on peut conccvoii' le poids molaire d\in gaz comme le poids de la quantité de ce gaz qui occupe le même volume I' que 1* du gaz normal, à la même tejupéralure T et sous la m?me pression p* D'autre part, d'après Téq nation

pv =^ /-T

on voit ([ur la constante r ne dépend que de la pression, de la tem- |>ératurc et du volume, et qu'elle prend des valeurs égaler» pour dc^ gaz ditlérents, si ces quantités sont égales pour tous ces gaz. Il résulte donc de la définition que nous avons donnée du poids molaire, que la constante r do i( a t "o ir la m en \ c va le tir po u r le po ids m o ki ii -e de n'importe quel gaz. Nous appellerons R cette constante rat^por^ée au poid s .m olaire .

Pour la calculerj appliquons Téqualion

HTDROOàNB. I07

au gaz normal à o'* et sous la pression atmosphérique. Dans ces conditions, çz=z 22390*^"", /> = ioi3i3o en unités absolues (p. 8i) et T=273. Il en résulte que R = 8, 3i x lo^ en unités absolues (').

L^équation à ' ■ '-

y>i. = RT = 8,3i xio'T

est donc valable pour le poids molaire de n'importe quel gaz. ^ Hfaut remarquer que la loi générale des gaz, comme les lois partielles qui la composent, n^est pas une loi absolument rigoureuse. En réalité, tous les gaz s'en écartent plus ou moins, et d'ailleurs d'autant moins qu'ils sont plus raréfiés. Ce n'est donc qu'une loi limite (p. 24), que les matières existantes réalisent approximativement, mais jamais d'une manière tout à fait exacte.

Dans les conditions usuelles de température et de pression, la plupart des gaz ne présentent, par rapport à cette loi, que des écarts peu considérables, qui sont à peine de l'ordre du centième de la valeur théorique de la quantité à mesurer. On appelle « gaz parfait » un gaz qui suivrait rigoureusement la loi pç = RT. On attribue au gaz normal dont nous avons parlé les caractères des gaz parfaits.

Comme autrefois on définissait les densités gazeuses presque toujours par leur rapport avec la densité de l'air prise pour unité, il est nécessaire de déterminer le rapport du poids molaire tel que nous l'avons défini aux nombres ainsi obtenus. Un litre d'air pèse 1^,293; l'air est donc 28,9 fois plus lourd que le gaz normal. Pour calculer le poids molaire Tun gaz d'après sa densité par rapport à l'air, il faut donc le multiplier par 28,9; pour faire l'opération inverse, il faut diviser par 28,9.

Expériences. — H J a plusieurs manières de rendre sensible la faible densité du gaz hydrogène. On remplit d'hydrogène un petit ballon de collodion, de baudruche ou de caoutchouc, et on le laisse se déplacer en liberté. Comme l'hydrogène est à peu près quatorze fois plus léger que Tair qu'il déplace, il subit la poussée qui correspond à cette différence de poids, et qui est, en chiffres ronds, de 1* par litre; par suite, le ballon s'élève rapidement. On peut aussi souffler des bulles de savon en se servant d'hydrogène et les laisser s'élever dans l'air.

On utilise en grand cette propriété pour la construction des aéro-

(*) Si Ton calcule la pression en atmosphères, on a /> = i et R = 82,1; si l'on compte en grammes par centimètre carré, /> = io33 (p. 81) et R = 8, 48x10*. Ce qui vaut le mieux est de s'en tenir aux unités absolues.

Fig. 3-.