COMBINAISONS DE L'HYDROGÈNE AVEG L'OXYGÈNE
On en connaît deux:
Le protoxyde d'hydrogène ou l'eau, HO;
Le bioxyde d'hydrogène ou l'eau oxygénée, HO^,
HO = 9 ; cet équivalent représente 2 Tolumes. L'ean est formée de 2 vol. d'H et de i toL d'O condensés en 2 vol. Densité de vapeur rapportée à l'air, 0,622.
Double densité de vapeur rapportée à Thydrogène, ou poids de la molécule, 18. Formule moléculaire, H* 8^.
L'eau bout 4 lOO'* sous la pression de 70<'", elle fond à 0*>. Propriétés laillantes. — C'est le corps neutre par excellence, le dissolvant le plot général.
ttat naturel. — L'eau Joue un rôle immense dans la nature. Elle couvre les quatre cinquièmes de la terre. Elle forme environ les trois quarts du corps des animaux, fille est absolument indispensable à l'exisience des tégétaui et des animaux.
sa COMPOSITION OP. L'EAU.
32. Composition. — Cavendish recoDnut en 1781 que l'hydrogène donne de l'eau lorsqu'il brûle. Mais ce aaTant et un grand nombre d'autres qui étudiaient cette question, parmi lesquels sont Watt et Priestlej, aveuglés par ta théorie du phlogistique (30), n'arrivèrent pas à expliquer celte formation d'eau, et ce fut Lavoisier qui en conclut que l'eau est un composé d'hydrogëue et d'oxygène {fig. 32].
Lavoisier a prouvé que l'eau est formée d'hydrogène et d'oxjgcne par lasyothèse et par l'analyse. Ces expériences, auxquelles prirent part Monge, Chaptal et la plupart des savants de l'époque, sont remarquables au point de vue qualificatif ; mais elles laissent à désirer quantitativement [larlant, parce qu'à cette époque on ne connaissait pas le moyen de dessécher les gaz et que l'humidité altérait les résultats pondéraui.
Le procédé synthétique dont Lavoisier fît usage fut la combinaison des deux gaz mesurés avec soin sous l'influence des étincelles électriques.
La méthode analytique dont il se servit fut la décompo^tioa de la vapeur d'eau par le fer chauffé au rouge.
Pour déterminer la composition de l'eau on recourt maintenant aux procédés suivauls.
Analyse de l'ean par la plie. — On place dans un vol-
Umèlre de l'eau aiguisée d'acide suirurîque, et on y dirige le couraDt électrique que doDoent 4 à 6 éléments Bunsen {fig. 33),
En réalité ce n'est pas l'eau qui se décompose, mais la coiiibiliaison de l'acide et de l'eau, appelée hydrate d'acide sulfurique.
Si l'eau avait été rendue alcaline, ce serait l'alcali hydraté qui se détruirait. (M. Bourgoin.)
L-ngaz se dégage sur chaque fil polaire. Au pôle zinc (négatif) le volume est double du gaz recueilli au pôle charbon (positif).
Le gaz le plus abondant brûle avec la flamme faible qui caraclérise l'hydrogène ; l'autre jouit de la propriété dislinctivc de l'oiygène: il rallume une bougleouune allumette n'ayant plus que quelques points en ignition.
Ce sont deux physiciens anglais, Nicholson et Carlisle, qui firentles premiers l'eipérience de la décomposition de l'eau, en ISOO. Ce moyen d'anaiyse ne présente pas une grande rigueur en raison de diverses circonstances, et notamment de laformation d'une certaine quantité d'ozûne, d'eau oiygénée, et d'acide persulfurique dans le cas oij l'on clectrotyse de l'eau acidulée par l'acide sulfurique.
33. Synthèse de l'eau «■▼olnmes. — L'oiygène et l'hydrogène se combinent avec une extrême facilité. Que l'on introduise un corps porté au rouge dans un flacon renfermant un mélange de un volume du premier gaz et de deux volumes du second, et ils se combinent instantanément avec explosion. Il convientde n'agir que sur un vase en verre fort, de 200 centimètres cubes au maximum, et de l'entourer d'un liage, parce que le vase risque d'être brisé. Ce procédé n'est pas susceptible de précision.
Il en est de même de celui qui consisterait à combiner l'oxygène et l'hydrogène au moyen du platine spongieux. Pour foire cette expérience il suffit d'introduire un petit fragment
d*éponge de platine dans un mélange d'oxygène et d'hydrogène. On voit d'abord le platine rougir, et presque aussitôt une vive explosion annonce la combinaison des deux gaz.
L'incandescence du métal résulte de sa grande porosité. Il condense les gaz avec une énergie telle que sa masse est portée au rouge , et c*est la chaleur rouge qui détermine la combinaison.
L'étincelle électrique se prête au contraire à cette synthèse avec rigueur et facilité, mais l'opération doit être faite dans les appareils spéciaux appelés etidiométres,
La méthode eudiométrîque a été sinon inventée, du moins perfectionnée par Gay-Lussac et de Humboldt, et c'est à leur travail exécuté en 1805 que la science est redevable de, la connaissance de la véritable composition de Teau en volumes^ car leurs prédécesseurs n'avaient pas employé des procédés assez parfaits pour conclure de leurs expériences que l'eau est formée précisément de deux volumes d'hydrogène pour un volume d'oxygène.
Eudiométre de Volta. — C'est un tube en verre fort {fig, 34), terminé en haut et en bas par une monture en laiton munie d'un robinet et d'un entonnoir. La garniture supérieure porte de plus un pas de vis dans le fond de Tentonnoir^ et une petite tige latérale en laiton séparée de la monture par un tube en verre rempli de mastic.
On mesure un volume d'oxygène^ puis deux volumes d'hydrogène dans un tube gradué, et on les fait passer dans l'eudiomètre rempli d'eau. La mesure doit être faite au niveau de l'eau^ de façon que la pression soit la même à l'intérieur du tube que dans l'atmosphère.
Quelquefois on se sert d'une jauge ou d'un petit tube que l'on remplit une fois d'oxygène^ et deux fois d'hydrogène.
Lorsque l'eudiomètre est ainsi préparé, on fait passer une étincelle électrique, au moyen d'un électrophore, d'une machine électrique^ ou de tout autre appareil. Quand l'étincelle arrive dans le mélange, un éclair le sillonne^ les gaz se dilatent^ et soudain ils disparaissent à l'état d'eau.
Pour s'assurer de la disparition du gaz, on ouvre le robinet supérieur, et on constate qu'il ne monte dans le tube qu'une bulle ou deux. Ces traces de gaz ne devraient pas exister; elles proviennent de ce que , au moment où les gaz sont annihilés subitement^ une petite quantité d'air est extraite de l'eau et se réunit à la partie supérieure de l'eudiomètre.
COÏfPOSlTION DE L'EAU. 6S
La synthèse serait tout à Tait exacte sur la cuve !x mercure (fe. 3S).
L'eadiomitre de Gay-Lnsiac est un tul>e en verr^ très épais, doQt le fond est bouché par une tige de fer solidement Bxée au tube, et dont l'orifice est terminé par une garniture en fer se fermant au moyen d'un houchon à vis ou par une soupape s'onvrant de bas en haut.
L'aadlomètre de BUtschspllc est un simple tube gradué, de petit calibre, dans les parois supérieures duquel sont soudés deui fils très Uns de platine, ayant leurs extrémités très voitinea sans se toucher cependant, et recourbés afin de faciliter le nettoyage du tube {fig. 36).
Après avoir acquis la preuve par cette expérience que 2 vo-
lûmes d'hydrogène s'unisseat intégralement avec I volume
Fig. IS.
d'oiygène pour former de l'eau, on peut vérifier ce résultat par deux autres eipériences faites, l'une avec excès d'hydrogène, l'autre avec excès d'oxygène.
Soient 10 centimètres cubes d'hydrogène, et 10 — — d'oxygène,
placés dans un eudiomètre.
Après le passage de l'étincelle, on trouve un résidu de 5 centimètres cubes qui sont formés d'oxygène pur.
A-t-on au contraire mélangé IS centimètres cubes d'hydrogène à S centimètres cubes d'oxygène, il reste 5 centimètres cubes d'hydrogène pur, 34. Il nous reste à chercher combien il se forme de volumes de vapeur d'eau quand on combine deux volumes d'hydrogène à un volume d'oxygène, et à vérifier les lois de Gay-Lussac sur la simplicité des volumes des ga;; qui se combinent (20).
La méthode est très simple : il suffît d'entourer le tube eudiométrique d'un manchon en verre maintenu à une température supérieure à tOO", de façon que l'eau formée reste en
On constate dans cette expérience que 2 Yolumes d'hydrogène s'unissent à un volume d'oxygène pour former 2 volumes de vapeur d'eau.
On peut facilement passer de la composition de l'eau en volumes à sa composition en poids.
Les poids de volumes égaux de deux gaz sont, à une même température et à une même pression, dans le même rapport que leurs densités ; par conséquent le poids de 2 volumes d'hydrogène est au poids de 1 volume d'oxygène comme la double densité de Thydrogène est à la densité de Toxygène.
La double densité de rhydrogène est 2 X 0,069 ^= 0,1386 La densité de l'oxygène t= 1J056
Ce nombre 1,244 est en effet le double de ladensité de lavapeur d'eau, car cette densité est représentée par 0,622. Le rapport
Donc l'hydrogène et l'oxygène constituent l'eau dans le rapport de I à 8 en poids.
35. Synthèse pondérale de Teau. — La difficulté que présentent la mesure et la pesée des gaz , ne permet d'établir la composition de l'eau que d'une manière approximative par les méthodes précédentes. Comme la connaissance exacte de cette composition est une des notions les plus importantes de la chimie, M. Dumas s'est proposé de déterminer, par une méthode synthétique pondérale rigoureuse, le rapport de l'hydrogène et de l'oxygène dans l'eau.
Principe. — On dirige de l'hydrogène pur sur un poids connu d'oxyde de cuivre, et on 'pèse l'eau produite ainsi que le cuivre,
H + CuO = Cu -1- HO.
Berzélius et Dulong avaient déjà employé cette méthode. Procédé de M. Dumas (fig, 37). — A. Flacon producteur d'hydrogène contenant du zinc et de l'eau.
B. Tube en U, renfermant des fragments de verre, mouillés par une dissolution de nitrate de plomb, afin de retenir l'acide sulfhydrique.
C. Tube en U, contenant du sulfate d'argent, pour retenir l'hydrogène arsénié et l'hydrogène phosphore.
U COMPOSITION DE L'EaU.
D. Tube contenant, dans la première branche, une solution de potasse concentrée, et dans la seconde, de la potasse solide. E, F. Tubes renfermant de la potasse en fragments. Ces trois tubes arrêtent les carbures d'hydrogène, l'hydrogène silicié et la majeure partie de l'eau.
G, H. Tubes refroidis contenant de l'acide sulfurique ou del'acide phosphorique divisés par des D-agmeats de pierre ponce.
1. Tube témoin contenant de l'acide phosphorique. Son poids ne doit pas varier pendant l' expérience, ce qui prouve que la dessiccation de l'hydrogène était parfaite.
L. Ballon en verre très peu > fusible, muni dedeux robinets, f contenant l'oxyde de cuivre.
On chauffe ce ballon, on y dirige de l'air sec pour chasser l'humidité que peut contenir l'oiyde de cuivre, on y fait le vide et on le pèse.
Ce ballon est fixé à des appareils destinés à condenser l'eau produite. Ces appareils, pesés avec soin, se composent : d'u'n récipient en verre H, de deux tubes en U, contenant, le premier de la potasse solide, le second de la pierre ponce mêlée à de l'acide phosphorique, d'un tube témoin R, rempli de pierre ponce mêlée à de l'acide phosphorique.
La réduction exige dix ou douze heures. Quand elle est terminée, on laisse refroidir l'appareil dans le courant d'h jdro-
THÉORIE HOLËGULAIRE. &9
gène, puis on fait passer un courant d'air au moyen d'un aspirateur plein d'eau, séparé du tube R par un tube S renfermant de la pierre ponce imbibée d'acide sulfurique.
On procède alors aux pesées. Le vase L est pesé vide d'air; la différence entre son poids avant et après l'expérience indique la quantité d'oxygène qui existe dans l'eau formée, et l'augmentation de poids des vases suivants fait connaître cette quantité d'eau. Les nombres obtenus conduisent à:
11,11 d'hydrogène^ 88,89 d'oxygène i^^^^^
Équivuleni de Voxygéne, de Peau. — Il faut donc 8 d'oxygène (corps électro-négatif) pour faire avec 1 d'hydrogène [corps électro-positif (15)] 9 d'eau : ce qui s'exprime en disant que 8 est l'équivalent de l'oxygène par rapport à H = 1 , et que la formule de l'eau est HO.
36. Théorie moléculaire ou atomique. — Dalton^ après avoir découvert la loi des proportions définies (11) en 1807^ formula les propositions suivantes : Les poids atomiques des divers corps sont différents . Les proportions définies suivant lesquelles ils se combinent représentent les poids relatifs dé leurs atomes. Lorsque Gay-Lussac eut établi (20)^ en 1808, que les gaz se combinent suivant des rapports extrêmement simples en volumes, il montra qu'en appliquant au gaz ^hypothèse de Dalton, leurs densités doivent être proportionnelles aux poids de leurs atomes ou à des multiples simples de ces poids.
Considérons l'eau : elle résulte de l'union de 2 volumes d'hydrogène et de 1 volume d'oxygène; on admet qu'elle est formée de 2 atomes d'hydrogène pour un atome d'oxygène. Dès lors la formule H*e.
Prenons le poids de l'atome d'hydrogène pour unité i il est clair que les 2 atomes d'hydrogène pèseront 2 et que l'atome d'oxygène pèsera le double de l'équivalent, 16. C'est ici que la notation en atomes se sépare de la notation en équivalents, car si, dans l'un et l'autre système, H=l, il n'y a que 1 d'hydrogène dans l'eau lorsqu'on fait usage des formules équivalentes, tandis qu'il y a 2 d'hydrogène si Ton se sert des formules atomiques qui ontpourbase la composition de l'eau en volumes.
Les atomes de l'oxygène, de l'azote, du chlore, etc., occupent le même volume que l'atome d'hydrogène. La vapeur du phosphore et celle de l'arsenic renferment sous le même volume deux fois plus d'atomes que les gaz précédents.
60 THfiORlE MOLÉCULAIRE.
Si, au lieu de rapporter les densités à l'air, on lesrapportait à l'hydrogène, comme on le fait pour les atomes, les poids atomiques se confondraient avec les densités, sauf les exceptions signalées plus haut et quelques autres.
Pour ramener à Fhydrogène la densité des gaz rapportée à l'air, il faut la multiplier par 14,44, parce que la densité de l'air est 14,44 reiatiTement à celle de l'hydrogène ; de sorte que, pour a^oir le poids atomique d'un corps, il faut multiplier sa densité par i 4,44.
Considérons l'oxygène :
Sa densité rapportée à l'hydrogène sera
Par suite, 46 est le poidsde l'atome d'oxygène, si 1 est le poids de l'atome de l'hydrogène.
Avogadro en 181 1, Ampère en 1814, frappés de la simplicité des lois qui régissent les gaz, émirent sur leur constitution des idées dont voici la substance :
Les gaz sont constitués par des particules extrêmement petites, maintenues par la chaleur à une distance telle les unes des autres que toute attraction mutuelle {affinité ou cohésion) cesse d'exister. Ces particules ne sont pas les atomes, ce sont des groupes d'atomes sécabies par les agents chimiques : nous leur avons donné (21) le nom de molécules. Tous les gaz, simples et composés, placés dans les mêmes circonstances de température et de pression, renferment dans un même volume le même nombre de molécules.
Tel est le fondement de la théorie moléculaire.
11 est évident que 1 8 est la plus petite quantité d'eau susceptible d'exister à l'état de liberté, car on ne peut pas concevoir une quantité d'eau plus petite que celle qui est formée par 2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène : 1 8 est le poids moléculaire de l'eau. Comme cette quantité occupe le double du volume occupé par 1 d'hydrogène (34) , on dit que la molécule d'eau représente 2 volumes de vapeur. La molécule de gaz ammoniac (50), de gaz chlorhydrique (80), et de la presque totalité des gaz occupe également un volume double de celui de 1 d'hydrogène : on exprime ce fait en disant que la molécule des corps représente 2 volumes de vapeur. Il est cependant des exceptions à cette règle, et parmi elles nous citerons l'acide sulfurique monohydraté, le perchlorure de phosphore (91) et Mvers sels ammoniacaux.
La densité de la vapeur d'eau est 0^622 par rapport à Tair. Sa densité^ par rapport à 1 d'hydrogène, sera
Et 18, poids de sa double densité, représentera le poids de la molécule de l'eau si i est le poids de Tatome d'hydrogène.
Par la même raison 2 et 32 sont les poids moléculaires de l'hydrogène et de Toxygène parce que ce sont les poids de 2 volumes de ces gaz (21).
Si Ton admet ces densités rapportées à Thydrogène on aura le poids du litre d'un gaz quelconque en multipliant le poids du litre d'hydrogène 0^^0896 parla densité de ce gaz. Ainsi^
Os',089 X 16 ou lv',429 = le poids du litre d'oxygène.
Bésumé. — La composition de l'eau peut être exprimée par les diverses manières suivantes :
il 1,11 d'hydrogène 88,89 d'oxygène, 100,00.
( H = l, En équivalents ! O = 8.
„ , (2 volumes d'hydrogène ) , .
£a volumes j ^ ^^^^^ d'oxygène I «>ndenses en 2 volumes.
En molécaies
( 1 volume d'oxygène ) 2 atomes d'hydrogène pesant 2 1 atome d'oxygène pesant 16
1 8 poids de la molécule d'eau.
Le poids de cette molécule correspond à2 volumes de vapeur.
L'atome de Thydrogène se confond avec son équivalent.
L'atome de l'oxygène est le double de son équivalent.
La molécule de l'eau est le double de son équivalent.
On donne le nom de corps diatomique à l'oxygène et à tous les corps qui^ comme lui, se combinent à 2 atomes d'hydrogène. Afin d'éviter toute confusion nous représenterons l'atome de l'oxygène, 46, par un 0 barré, -G-.
Types chimiques, — Un chimiste français, mort jeune encore, après avoir accompli de nombreux et de brillants travaux, Gerhardt, a montré que tous les corps de la chimie pouvaient être ramenés à quatre types. L'eau est le plus important d'entre eux, car son groupe contient les bases, les acides, les sels, les alcools, les éthers, etc., c'est-à-dire le plus grand nombre des corps.
Tous peuvent être envisagés^ en effet, comme de l'eau dans laquelle la moitié ou la totalité de l'hydrogène est remplacée par des corps simples, ou par des corps composés, appelés radicaux, qui jouent le rôle de corps simples.
Les formules atomiques peignent ces faits :
H i L'eau a pour formule u | ^>
La potasse anhydre 0 ;
— hydratée Hi^'
L'acide azotique anhydre ^ . ^2 ! ^ »
monohydraté. ,,,
L'éther ordinaire ^Z'S2 j O;
L'alcool „
Ces analogies sont à peu près incontestées aujourd'hui. Pour les représenter dans la notation en équivalents il est indispensable de doubler la formule de Teau, c'est-à-dire de la représenter par le symbole
H202 = 4 vol.
Moyennant cette convention on arrive à des formules analogues pour les composés nommés plus haut* L'eau étant
HP ' La potasse anhydre se représente par ,j. ( 0^ ;
— hydratée. hP^^'
L'acide azotique anhydre (AzO*) j ^3 .
— monohydraté ^^^^^Iq»
L'éther (C*H«)j J.
L'alcool (C*H5)) J
