Une demi pile à hydrogène simplifiée

L’intérêt de cette demi pile est de montrer qu’il existe des couples autres que ion métallique / métal.

Cet article expose le principe, la construction et l’utilisation d’une électrode à hydrogène réalisée avec des matériaux et des produits courants dans les laboratoires de chimie des lycées.
Cette électrode donne des résultats corrects avec une précision suffisante pour les mesures effectuées au lycée.
On présente souvent une électrode de conception analogue mais en utilisant un fil de platine. L’originalité est de le remplacer par un fil de cuivre ce qui rend l’électrode moins onéreuse.
Cette demi plie a une durée de vie d’environ une heure ce qui est suffisant pour une séance de travaux pratiques.

Principe

Pour disposer d’une demi pile à hydrogène, il faut mettre en présence du dihydrogène gazeux (H2(g)) et des ions hydrogène solvatés (H+(aq)). Le contact électrique est assuré par un fil de métal inattaquable (souvent du platine). Ici, on utilise du cuivre, moins cher et aussi inattaquable en milieu acide.
Les ions hydrogène sont fournis par une solution aqueuse d’acide chlorhydrique. Le dihydrogène gazeux est produit par la réaction entre les ions hydrogène et le zinc volontairement choisi en grenaille de telle sorte que la réaction ne soit pas trop rapide.

Matériel et produits

• verre à pied de 250 mL ;
• entonnoir adapté au diamètre du verre à pied (il faut que l’entonnoir pénètre de 3 à 4 cm dans le verre à pied) ;
• fil de cuivre de longueur suffisante décapé à l’acide nitrique et rincé à l’eau distillée ;
• douille femelle à visser sur le fil de cuivre ;
• support avec noix et pince ;
• joint torique ou tout autre accessoire pour fixer le fil de cuivre sur le tube de l’entonnoir ;
• solution molaire d’acide chlorhydrique ;
• grenaille de zinc.

Construction

• fixer la douille femelle sur le fil de cuivre décapé ;
• coulisser le joint torique sur le fil de cuivre ;
• placer la grenaille de zinc dans le verre à pied ;
• verser la solution d’acide chlorhydrique dans le verre à pied ;
• placer l’entonnoir et ajuster la niveau de la solution d’acide pour que celui-ci dépasse le niveau du bas de l’entonnoir (environ 3 à 4 cm) ;
• insérer le fil de cuivre dans le tube de l’entonnoir en veillant à ce que celui-ci ne touche pas la grenaille de zinc (régler la position du joint torique) ;
• fixer l’entonnoir à l’aide de la pince sur le support ;
• attendre quelques minutes (environ 5 minutes) pour que la demi pile soit prête à être utilisée.

Fonctionnement

Le dihydrogène est plus léger que l’air. Il a tendance à monter, chasser l’air et à remplir l’entonnoir à la pression atmosphérique. Il coexiste alors les deux constituants du couple oxydant réducteur où intervient le dihydrogène. Le cuivre ne sert qu’à assurer le contact électrique.
On peut associer cette demi pile à toute autre demi pile et mesurer la force électromotrice.
Le pont conducteur est un pont d’agar agar au nitrate de potassium (d’où l’intérêt de laisser dépasser la solution d’acide du niveau inférieur de l’entonnoir pour placer le pont conducteur). Il peut être remplacer par un papier filtre imbibé d’eau du robinet si on n’utilise pas une demi pile faisant intervenir une solution de nitrate d’argent.

Elisabeth et Patrick Pierens
Lycée Pierre de la Ramée Saint Quentin