Le saviez-vous?
En 1783, LAV0ISIER obtient de l’eau en étudiant la combustion du dihydrogène dans le dioxygène : il réalise ainsi, par hasard, la première synthèse de l’eau.
À la même époque, l’anglais CAVENDISH réalise lui aussi la synthèse de l’eau en faisant jaillir une étincelle entre les extrémités de deux fils, placés à l’intérieur d’un cylindre contenant du dihydrogène et de l’air.
Au cours d’expériences ultérieures, LAV0ISIER réussit à décomposer l’eau en faisant passer de la vapeur d’eau sur de la poudre de fer incandescente ; il récupère du dihydrogène.
Ce n’est que vers 1800 que les Anglais NICHOLSON et CARLISLE effectuent la première décomposition de l’eau à l’aide de l’électricité, appelée électrolyse ; ils récupèrent du dihydrogène et du dioxygène.
William Nicholson et Antony Carlisle, La découverte de l’électrolyse, 1800
Définition et principe de l'électrolyse:
L'électrolyse est un processus d'échange au cours duquel l'énergie électrique est transformée en énergie chimique. La réaction a lieu dans une solution ionisée: l'électrolyte. Les ions doivent pouvoir circuler librement dans cette solution pour passer d'une électrode à l'autre. Les deux électrodes sont reliées par l'électrolyte et par un générateur de courant électrique. Cette unité est présentée dans le schéma ci-dessous:
Or:
D'où finalement:
Electrolyse de l’urine et test du dihydrogène
Ceci étant la réaction chimique lors de l'électrolyse de l'eau. Mais l'électrolyse de l'urine est d'autant plus complexe puisqu’elle contient de nombreuses autres espèces chimiques intervenant elles aussi dans l'électrolyse. Nous allons essayer d'expliquer cette réaction chimique avec deux constituants majeurs de l'urine, l'eau dont il est expliqué ci-dessus la réaction qui a lieu, et l'ammoniac (NH3) dont nous allons montrer la transformation chimique lors de l'électrolyse par l’équation de réaction chimique suivante :
On remarque que non seulement des ions H+ ont été générés de la molécule d'ammoniaque, mais que de l'ammonium est également formé. Alors que l'ammoniaque est très toxique pour les végétaux et les êtres humains, l'ammonium qui, combiné au nitrate, constitue un très bon fertilisant.
L'identification du Dihydrogène :
Par ailleurs, nous pouvons vérifier la présence du dihydrogène émis après électrolyse grâce au test de détonation qui consiste à mettre le dihydrogène à l’état gazeux en contact avec une source de chaleur : une détonation est alors émise, signifiant ainsi qu’il y a bel et bien du dihydrogène.
Il faut savoir que les ions chargés négativement migrent vers l'anode qui gagne alors des électrons, les ions chargés positivement migrent vers la cathode qui perd des électrons.
Prenons comme exemple l'électrolyse de l'eau, constituée de 2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène. Comme on peut l'observer sur le schéma explicatif ci-contre, la solution étant aqueuse, les ions H+ reçoivent un électron e- dans la cathode qui permettra à l'ion de devenir un atome de charge neutre.
Schéma simplifié du test de détonation, aussi appelé test du dihydrogène
Ainsi se forme du dihydrogène dans la cathode et du dioxygène dans l'anode (qui attire les anions). Nous obtenons l'équation bilan de l'électrolyse de l'eau suivante :
La vidéo ci-dessous montre le déroulement de la réaction chimique de l'électrolyse de l'urine. Cette dernière est contenue dans un réservoir de 1,5 L (pour 1 L d'urine). La pile sèche, constituée de plusieurs plaques en métal conductrices, remplace les deux habituelles anode et cathode d'un système d'électrolyse. Néanmoins, le principe est le même. Nous avons préféré l'utilisation de la pile sèche parce qu'elle permet un meilleur rendement en dihydrogène par rapport aux systèmes d'électrolyse "classiques".
L'électricité que fournit le générateur permet aux ions H+ entre autres de capter un électron dans la cathode et se transformer en atomes de charge neutre et donc de passer sous forme de gaz : le dihydrogène. D'ailleurs, l'effervescence que l'on peut observer dans la vidéo ci-dessus au niveau de la pile sèche n’est en fait que les petites bulles de dihydrogène qui sont renfermées dans une mousse blanche explosive. On obtient par conséquent "une mousse de dihydrogène" au lieu du gaz du même nom car certaines espèces chimiques interviennent dans la réaction pour créer cette mousse.
Cette mousse explosive va ensuite passer dans une capsule par l'intermédiaire d'un tuyau. On récolte donc notre mousse qui contient du dihydrogène et de l'urine électrolysée.
Pour libérer le dihydrogène de la mousse, il suffit d'attendre que le gaz s'échappe par lui-même ou de concevoir un agitateur pour libérer le dihydrogène plus rapidement. Une fois le gaz libéré, on peut l'identifier en faisant des tests simples (par exemple le test de la flamme) : dans notre expérience, c'est bien du dihydrogène que nous avons identifié vu qu’il y a eu une détonation.
Le concept de l'électrolyse acquis, nous avons essayé de concevoir une maquette permettant de procéder à l'électrolyse de l'urine le plus efficacement possible.