G II A PITRE VU

stat^, qui con^islent essenï tellement en des sacs de soie imperméable que Ton remplît d'hydrogène* Le poids total que peut porter un semblable aérostat (son propre poîd* y compris) est, en chirtVes ronds^ d'après ce que nous venons de dîre^ de ï""^ par mt?tre tnibe. Ceci n'a licui d'ailleurs, qu'an voisinage de la surface terrestre : car, plus haut on s'élève, moins l'air est dense, et, par suite, plus faible est la poussée.

Un autre procédé qu'on peut employer pour rueMre en éudence eelle jH-opriété de rhydrogène, consiste H remplir de ce gaz, sur la cuve a eau, deux éprouvetles^ puis a les mettre Tune aven son oritke en haut, Tautre avec son orifice en

bas (^fig. 27). SI, au bout de quelques instants ^ on approche une flamme de chacun de ces tubes, on Irouve que le cylindre renversé est encore rempli d'hydrogène, tandis que l'autre ne contient que de Pair.

Propriétés de rhjdrogfène sous haute pression. — De toutes les matières connues, c'est l'hydrojL^ène qui, par ses prnpriélés, se rapp roc fie le plus de l'état de gaz parfait. Mais en rétutliant de près, on trouve qu'il s'en écarte lui aussi, en ce sens que, quand la [ïression ïl'élève, son volume diminue moins qu'il ne le devrait d'après la loi de Boy le* L'écart auguienle a mesure que la pression devient plus forte, el cela suivant une loi très simple que l'on peut exprimer de la manière suivante :

Le volume total de rhydn>gène se compose d'une partie qui suit strictement la loi de Boy le et d'une autre j)artio qui est indépendanle de la pression. Appelons V le volume total, ç la partie qui suit la loi de Boyle, cl a laquelle, la température restant constante, s'applique la formule

où G est une constante; appelons b la partie qui est indépendante de la pression. Alors on a

HYDROGENE. IO9

et en remplaçant, dans l'équation pç = Cj i^ par sa valeur V — 6, on

obtient la formule

qui représente l'état de l'hydrogène sous toutes les pressions, et en particulier sous les pressions élevées.

On peut se créer une image de ce que cette formule exprime, en concevant que le gaz hydrogène consiste en petites particules de densité assez grande et séparées les unes des autres par de l'espace vide. Cet espace suivrait la loi de Boyle, et les particules plus denses représenteraient la partie non compressible du gaz hydrogène.

Dans l'hydrogène à o" et sous la pression de i**™, la valeur de b s'élève à o, 00062 du volume total. De la formule

il résulte que plus la pression s'élève, plus la diminution de volume devient petite, et qu'à des pressions très élevées V ne peut être supérieur à b que d'une faible quantité. Alors l'hydrogène se comporte à peu près comme un liquide, car les liquides ont aussi la propriété de diminuer très peu de volume pour de grandes augmentations de la pression.

Les autres gaz s'écartent de la loi pv = RT, la plupart du temps dans un sens tel qu'à pression croissante ils se compriment d'abord plus fortement que ne le veut la loi de Boyle. Mais sous de hautes pressions tous se comportent comme l'hydrogène.

Hydrogène liquide. — En se servant de procédés de refroidissement très énergiques, dont nous avons indiqué le principe page 98, on a obtenu dans ces derniers temps de l'hydrogène à l'état liquide. C'est un liquide incolore, dont la densité n'est que de 0,07 à sa température d'ébullition, mais qui néanmoins a une surface parfaitement visible et présente tous les caractères d'un liquide. L'hydrogène bout sous la pression de i"'"* à — 262°, soit 21" seulement au-dessus du zéro absolu. En le faisant bouillir dans le vide on n'abaisse que faiblement cette température. A cette température, tous les liquides et tous les gaz, y compris l'oxygène et l'air, se transforment en corps solides dont la pression de vapeur est extrêmement petite. Si, par exemple, on plonge dans un récipient où il y a de l'hydrogène liquide le bout fermé d'un tube recourbé et rempli d'air (voir yî^. 28), la partie supérieure de ce tube devient vide d'air, et c'est à peine si avec les meilleures trompes on pourrait réaliser un vide aussi parfait. j

ÇiOo^z

Diffusloo. — On prrnd deux éprouvelles à bonis larges et bien rotlés, r*n roinplii l'une d'elles dliydrogène, el (m les ineL l'une sur l'aulre, eix jïlacaul ù la [vartie supérieure celle qui contient Thydrogijfie el en j^^raissanL Tappareil de façon à le rendre ëlanche (/i^- âg). Dans ces conditions^ on doit s'altendre à ce cjue Thydrogene. qui est plus légerj reste en Kaul el laisse à la partie inférieure Tuir qui esl

Fig. 38.

Fîg* âtï.

kMS

plus lourd* Cependantj si le jour suivant on sépare avec prérauliop les deu\ cylindres et (ju^jn les fenue a Finslaut luéme a\ec des pla* leaux de verre préparés à Tavance, otï trouve dans Tun el dans Tautre de riiydrog^^ue. Dans tous les deu\, en elîelj fe ga/ s'allume si Ton apprtjchc une tlamuie, el la llanime pale de riiydrogène parcourt le Lube avec un bruit sifflant (*),

Ce ûiil que les gaz se répandent Tun dans l'autre est ce qu'on appelle là diffusion. C'est un pliénomcne tout à fait général: tous les gay. dilVuscut les uns dans les autres, jusqu'à ce que chacun d'eui. soît uniformémenl réparti dans tout l'espace qu'ils occupent*

Loi des pressions partielles (loi de Dalton). — Ainsi^ quand divers

(' ) La cuinbusUon de l'hydrogène «c prQdyit daos d^ cas «ïvéc des earacièrea spéciaux r|ut provienne ni de ce que L'hydrogèfic câl luéÉ^iig^! d'air el serual prociiainçiijcal expliquée.

HYDROGENE.

gaz existent dans le même espace, ils se comportent comme si chacun d^eiix était seul, c'est*à-dire que chacun d'eux suit la loi d'après laquelle un gaz n'est en repos dans un espace donné que quand il y est uniformémeni répandu. Ainsi V équilibre des gaz ne dépend pas de la pression totale, mais de la pression propre de chacun des gaz prisa partj c'est-à-dire de la pression propre quUl exercerait s'il existait seul dans l'espace qu'il occupe.

Ce fait est très important, car il y a beaucoup d'autres phénomènes relatifs aux gaz qui sont déterminés par leur pression partielle. En particulier, la pression partielle est le facteur décisif de l'équilibre dans les réactions chimiques entre gaz que nous étudierons plus loin.

Pour exprimer mathématiquement ces relations on n'a qu'à tenir compte de ce fait que dans un mélange de gaz la pression totale est la somme des pressions partielles, et de ce que chaque gaz existant dans un espace donné y est réparti uniformément, de telle sorte que le volume total est aussi le volume de chacun des gaz. Soient donc P la pression totale, V le volume total, et /?,, p^, />3, . . ., ('i, i^a, i»3, . . . les pressions et volumes respectifs des divers gaz particuliers ; on a les équations

/)i H- ^i4-/>3 -+-...= P et V, = p, = Tj =. . .= V.

La loi des pressions partielles que nous venons d'énoncer a été établie par Dalton et porte son nom. C'est un cas particulier d'une loi plub générale suivant laquelle, dans un mélange de gaz quelconque, dont les éléments n'exercent pas d'action chimique les uns sur les autres, chaque gaz se comporte à tous égards comme s'il était seul présent avec sa pression propre dans l'espace total. Nous rencontrerons plus d'une fois dans la suite des cas particuliers de celle loi générale.

Vitesse de diffusion. — On prend un vase d'argile poreuse, comme ceux qu'on emploie dans les piles galvaniques, et on le ferme avec un bouchon par lequel passe un tube de verre de i "* de longueur (Jig, 3o). Ce tube aboutit à un récipient où il y a de l'eau colorée; le vase d'argile est recouvert d'une cloche de verre renversée. Si l'on dirige sous cette cloche un courant rapide de gaz hydrogène, on voit apparaître à l'extrémité inférieure du tube de verre une série de bulles de gaz, ce qui prouve que la pression à l'intérieur du vase a augmenté brusquement. Au bout de peu de temps ce dégagement s'arrête et il s'établit un équilibre.

Qoo^Q:

CUAPtTR^ VI

Si Ton enlève la cloche, Vçiviit s'élève brusquement dans le liibe, ce qui indique une diminution dépression dans le vase. L'eau atieinl

une ccrlaine hauteur, puis retombe de nouveau, car le Viïse poreiiTt ne fJCiit pii^ conserver longtemps une dilféreuce de pression.

Ces phénomènes prn* tiennent de ce que Thvdrogène traverse beaucoup phis rapidement les petite orifices, eoinnie les pores du vase d'argile, que ne le font les autres gaz^ Tair par exempte, (^uand le vase est environné d'hydrogène, comme dans la première partie de rexpénence, ce gaz péneUre rapidemenl h l'intérieur du récipient, parce que sa pression propie y est nulle* En même temps et pour la Uïéme raison, l'air passe de Tiniérieur du vase dans rbyiirogcne qui se trouve à Tcntour. Mais le passage de rii^drogéne a lieu beaucoup plus vite, et par suite il se produit à rintéoeur du vase un excès de presï^ion qui chasse Pair |iai' bulles dans le tube de veire. L'équilibre s\Hablil cpiand les gaz arriveiit â être dans la même proportion de part et d'autre de la paroi poreuse.

Si maintenanl on suj*prime riiydrogène au dehors, les mêmes phénomènes se répètent en sens i inverse, Thydi-ogcue passe a rextérieur à cause de la différence de pression, et cela plus vite que Tair ne peut pénétrer dans le vase; de là une diminution de pression u Finlérieur,

Danskdîlïusion de deux gaz l'un dans Tautre, sans paroi de séparation, on constate des différences de vitesse analogues à celles qui sC manifestent dans la diffusion à Ira vers les pores de rargile, il se produit dans ce cas des pliénomoncs analogues» mais non tout à fait identiques. Nous signalerons seulement ce fait que l'Iiydrogène diffuse plus vite que tous les autres gaz et qucj d'une manière ^^énérale, la vitesse de diffusion est d'autant [>lus faible que la densité du gazest plus grande.

IIYDROGÈNB.

Il3

Fig. 3i.

Loi de la difPasion (loi de Qraham et Bunsen). — Sous la forme que nous venons de décrire, l'expérience sur les vitesses de diffusion des gaz ne permet pas de déterminations numériques; pour procéder à des mesures il faut la réaliser de la façon suivante :

L'appareil (Jig* 3i) consiste en un tube destiné à la mesure du gaz, fermé à sa partie inférieure par un liquide et portant deux traits de repère m s et mj. En haut se trouve un robinet qui ne débouche pas à l'air libre, mais est fermé à sa partie supérieure par une mince lame de platine percée d'un trou très petit. On remplit le tube de gaz jusqu'un peu au-dessous du trait /W|, puis on ouvre le robinet; alors le gaz est chassé à travers l'étroite ouverture, et l'on peut mesurer le temps qui s'écoule pendant que le liquide passe du trait inférieur au trait supérieur.

Si l'on prend comme liquide le mercure, la disposition que représente la figure 3i ne permet pas de voir le trait inférieur. Alors il faut se servir d'un tube en U comme celui

que représente la figure 32. En faisant l'expérience dans les mêmes conditions avec difliérents gaz, on trouve que les durées de difiusion de volumes égaux à travers une même ouverture ;>ont entre elles comme les racines carrées des densités. En I d'autres termes, les vitesses de diffusion sont inversement proportionnelles aux racines carrées des densités.

On peut se servir de cette loi et des appareils qui viennent d'être décrits pour mesurer les rapports des densités de différents gaz. Ce procédé rend des services dans les usines à gaz d'éclairage, parce que la densité fournit des renseignements sur la valeur du gaz.

La loi que nous venons d'exposer, et qui a été découverte par Graham et Bunsen, peut être déduite à titre de conséquence mécanique des conditions de l'expérience. Dans chaque expérience, le liquide qui ferme le tube fournit le même travail en venant remplir,

Qoo^Q:

11 4 CHAPITREVI.

à cause de Texcis de pression^ l'espace entre les deux Iruîls* Ce travail se transforme dans reiiergie ciné tique du gaz* Celte caergie esl représentée par la formule

- mc^.

dans laquelle t- est la \itesse et m la masse (p* 28)* Si nous tonjpn* rons deux gas& auxquels nous ferons correspondre les indices i et -a^ nous devons avoir

- nitc} = - m, cl.

Or les densités sont entre elles comme les masses des volumes égaux de gaz employés dans les expériences; on a donc aussi

ou

rf.cî

= d^ci,

Ct

Spectre de l'hydrogène. — Si l'on l'ail passer des décharges électriques daus un lulje de vei're qui contient de lliydrogene sous une pression de quelques millimètresj l'hydrogène devient lumineux*

On fait ordinairement rexpérîence dans des tubes de la furiue i\mreprésente la (îgure 33* Aux parties larges de ces tubes se trouveul Fif. 13. soudés des ïih de platine par lesquels passe le eounnit élcc* f^ trique. C'est dans les parties intermédiaires, oti le courkinl esl oh tige de passer dans un tube étroit, que Th vdrogène s'illumiat' le plus,

A l'œil nu, la lumière émise par rh^drogène ainsi rendu lumi* neux est d'un rouge rosé. Mais ^i Ton examine la ligne hunineuse à travers un prisiue réfringenl dont ou lient Taréle pyrallfle ù eetle ligne, on voit, au lieu d'une ligne, trois lignes séparées les unes des autres ; une rouge, une verte et une violette. Celte der* nière est la plus difficile .^ apercevoir.

Ce phénomène tient à ce qu'un prisme dévie inégalement les

di (lé rentes espèces de rayons hnniucux. L'apparition de trois

images distinctes prouve donc que la lumière de llivdrogène

I J est composée de trois espèces diiréreules de rajons lumineux :

^^^ des rouges, des verts et des violets* Celte lumière ne se comporte

pas comme celle qui provient des flammes et des corps lumineux

ordinaires; car si Ton examine celle-ci à travers un prisme, on trouve

qu'un faisceau homogène s'étale en une large bande, le spectre, dans

HYDROGÈNE. Jl5

lequel sont représentées d'une façon continue toutes les sortes de rayons lumineux, depuis le rouge jusqu'au violet.

La formation de ces trois lignes est une propriété de l'hydrogène, qui n'appartient à aucune autre substance. Les mêmes lignes apparaissent quand on rend l'hydrogène lumineux par n'importe quel autre procédé, et la présence d'autres matières ne les empêche pas de se produire, pourvu que ces matières ne fassent pas entrer la totalité de l'hydrogène en combinaison chimique. Comme cela n'a guère lieu aux températures élevées qui sont réalisées dans la nature, ces lignes, qui constituent le spectre de V hydrogène, sont un signe particulièrement sûr de sa présence dans une masse gazeuse incandescente.

Non seulement ce procédé sert à reconnaître l'hydrogène sur la terre, mais on trouve de plus les mêmes lignes dans ce qu'on appelle \es protubérances du 5o/e«7, c'est-à-dire dans ces appendices, en forme de flammes, qui s'élèvent sur les bords du soleil et qu'on observe surtout lors des éclipses de soleil. Cela prouve qu'il existe, à la surface du soleil, de l'hydrogène en grandes quantités, et à l'état libre.

On distingue également dans le spectre de beaucoup d'étoiles les lignes de l'hydrogène, et ainsi c'est grâce à ses propriétés lumineuses caractéristiques qu'on a pu établir que l'hydrogène était répandu dans tout l'univers.

La lumière ordinaire du soleil et celle de beaucoup d'étoiles présentent, aux endroits mêmes où le spectre de l'hydrogène a des lignes brillantes, des lignes noires. Ces deux sortes de lignes sont en rapports étroits l'une avec l'autre. La relation qui existe entre elles sera étudiée de plus près dans la suite ; pour le moment, nous signalerons seulement que les lignes noires prouvent la présence de l'hydrogène aussi sûrement que les lignes claires. En réalité les unes et les autres résultent du même phénomène, se produisant dans des conditions différentes.

L'hydrogène en brûlant donne de l'eau. — Nous nous sommes servi, pour caractériser l'hydrogène, de sa propriété de brûler dans l'air. La question de savoir ce qu'il advient de l'hydrogène qui brûle peut se résoudre à l'aide des connaissances que nous avons déjà. Nous avons vu que, sous l'action de l'eau, le fer et le sodium se transforment en combinaisons oxygénées, et qu'il y a en même temps production d'hydrogène. D'après cela, l'eau est un composé d'hydrogène et d'oxygène, et comme la combustion, en général, consiste en une

Qoo^Q:

M*i CHAPITRE VI,

combinaison avec roïjgèiie, nous devons nous allendrc à ce que le prodint de la coinbiistion de Tliydrogène soit de rcau. EneclivemeoL on peut s^îssiirer fmr une vénficaLton directe que le produit de celle combustion est bien de Teau,

Si Ton tient au-dessus de la flamme de l'iijdrogèiîe en combuslton une grande cloche bien sèche, elle se recouvre rapidement d'une huée qui a exactement Taspect de Teau condensée sur un carreau de fenêtre froid, et qui se comporte de la même fat^on. Pour recueillir en grandes cjiiantités Teau produite par la combuslionj il faut prendre des dispositions spéciales,

La figure 34 représente un brûleur (voir p. lai) dans letpje! on peut briller de Thydrogène en amenant sur ce gaz un courant d^oxjgène. Comme la réaction produit une grande quantité de cbaleur,

on a placé le brûleur dans un grand ballon de verre j qu'on peut ve* froid ir en versant de Feau autour. Si Ton fait fonctioimrr l'appareil, on voit bientùt se rassembler quelques centimètres cubes d'un liquide incolore qui est bien de Feau purCj car il en a toutes les propriétés*

Gombufltloiî de l'hydrogène au moyen des composés de l'oxygène. ^ Pour qu'il se furuie de Teau il n*est pas nécessaire qu oii mette en présence de Thj drogè ne de ToiLjgéneâ l'état d'élément; on peut aussi employer de^ composés de roxjgène, des ùj^ydes. Si Ton fait passer de riijdrogène sur de l'oxyde de mercure déposé dans

HTDROGàNE.

ÏI7

Fig. 35.

un tube de verre présentant une partie sphérique (Jig- 35), à la température ordinaire il ne se produit aucune action visible ; mais si Ton chauffe un peu l'oxyde, on voit immédiatement apparaître du mercure à l'état métallique, et dans les parties froides du tube de l'eau se dépose, d'abord en buée, puis en gouttelettes.

On observe des phénomènes tout à fait analogues quand on prend, au lieu de l'oxjde de mercure , des oxydes d'autres métaux. On peut se servir par exemple de l'oxyde de plomb connu sous le nom de litharge et qu'on prépare en grandes quantités en chauffant du plomb métallique à l'air libre,

avec l'oxygène duquel il se combine. En chauffant cet oxyde dans un courant d'hydrogène, on obtient du plomb métallique et de l'eau. L'oxyde obtenu en portant au rouge le cuivre au contact de l'air, placé dans un courant d'hydrogène, donne de l'eau et du cuivre rouge à l'état d'élément. On peut donc se servir de l'hydrogène pour préparer les métaux en partant de leurs oxydes. Ce procédé n'est pas appliqué en grand parce qu'on a des moyens plus économiques d'arriver au même but; mais dans les recherches scientifiques on en tire parti assez souvent.

Phénomènes inverses. — Les phénomènes que nous venons de décrire sont analogues au déplacement par le fer de l'hydrogène qui fait partie de l'eau, sauf qu'à l'inverse ils constituent un déplacement du métal chassé de son oxyde par l'hydrogène (p. 98).

Aussi est-il intéressant de se demander si l'hydrogène ne pourrait pas déplacer le fer lui-même en agissant sur l'oxyde de fer. Si l'on répète l'expérience précédente en substituant seulement l'oxyde de fer à l'oxyde de mercure, on observe effectivement des phénomènes tout à fait analogues. Il se reproduit de l'eau et l'oxyde de fer se transforme en fer. Ce fer, à vrai dire, n'a pas l'aspect du fer ordinaire, il se présente sous la forme d'une poudre noire ; mais cela

Il8 CltAPlTHE VI.

lient seulement à c!c que Ip poîni rie fusir^n dn fer esl beaucoup plus élevé que la leinpérattirf* rpie nous pouvons oljlenir d»n^ nt^lre boule de verre; par !>uile, les parhcules du fer ne peuvent se réunir en une mai^âe compacte. Mais, si après refroidissement on relire le contenu de la brille de verre j et f[u*on le frotle nvoc quelque chose de dur et de poli, on aperroit aussitôt {'éclat mélallitpie et la rotdeur grise caractéristique du fer,

La réaclfon entre le fer et la vapeur d'eau peut donc être réalisée en sens inverse, et si nous écrivons Inéquation chimique suivante :

fer -h vapeur dVau = Oïyde de fer -t- hydrfïgêne,

nous pouvons la lire également dans les deux sens, puisque les matières placées à gauche du signe = peuvent se transformer pu les ujatièrcs placées à droite aussi bien que celles-ci en celles-bi. Des recherches plus précises montrent même que ces deux phénomènes opposés peuvent avoir lieu a une même température*

. lits f« forces " chlmiquâs. — Ces faits sont en Cfmtradirliun avec les idées sur le n^ déplacement î> d'une matière par une autre^ auxquelles nous avons fait allusion page loo.

Conformément à cette ihéorie. l'afïinité qiir s'exerce entre le fer et Toxygène devrait, d'après Texpérience décrite page ijH^ être plus grande que celle qui s'exeree entre Toxygène et rhjdrogène, puisque le fer décompose l'eait, Maîs inversement, d'après Texpérieuce de la page t ) 7, la force entre rhydrogène et Toxygène est plus grande que la force entre le fer et roxygène, puisque Thydrogène décompose Foxyde de fer.

Comme ces deux propositions ne peuvent être vraies à la fois, il faut que la théorie qui conduit a ces propositions soit fausse.

Action de masse. — De fait^ Texamen de ce cas et d a titres cas analogues a établi que la nsihu-r des sulisUinces ei la température ne sont pas les seuls facteurs qui déleruiincnl la production d'un plié-

Inomène chimique : elle dépend également du rapport des mntières nu volume qît^elhs occupent^ autrcmenl^it de Te u r~con€enrra iion. Dans le cas actuel, la vapeur d'eau agit sur le fer jusqu'à ce qu'une certaine quanti lé de cette vapeur se soit transformée en hydrogène, et qu'un rapport déterminé se soit établi entre rhydrogène et la vapeur d*eau. Inversement, Toxydc de fer est décomposé par 1 hydrogène jusqu'à ce qu'il se soit établi entre riiydrogène