Identifier un gaz est l'un des plus anciens problèmes de la chimie, et c'est toujours d'actualité : les équipes travaillant dans les mines et les tunnels testent l'air avant d'entrer, les brasseurs et les vignerons surveillent le dioxyde de carbone produit par leurs fermentations, et les hôpitaux vérifient le contenu de chaque canalisation de gaz avant qu'il ne parvienne à un patient. La plupart des gaz sont incolores et inodores, l'apparence n'est donc d'aucun secours — un gaz doit être identifié par son comportement.
Trois tests classiques permettent de distinguer ensemble les gaz de laboratoire les plus courants. Une bûchette enflammée permet de déterminer si le gaz est lui-même inflammable : l'hydrogène s'enflamme avec un bruit sec, tandis que le dioxyde de carbone étouffet la flamme. Une bûchette incandescente permet de déterminer si le gaz entretient la combustion mieux que l'air : seul l'oxygène ravive la braise. Enfin, l'eau de chaux — une solution saturée d'hydroxyde de calcium — détecte spécifiquement le dioxyde de carbone en se troublant par la formation de carbonate de calcium insoluble. Aucun test pris isolément n'est concluant, mais la combinaison des trois résultats est unique pour chaque gaz.
Dans ce laboratoire, vous appliquerez les trois tests à trois gaz inconnus, fournis chacun dans trois tubes à essai bouchés, vous enregistrerez le résultat de chaque essai et vous déduirez l'identité de chaque gaz à partir de l'ensemble des preuves.
Objectifs Éducatifs
Familiarisation avec l'environnement du laboratoire
- Identifiez la disposition et le matériel du laboratoire d'identification des gaz, notamment les tubes à essai disposés en rack contenant des gaz inconnus (#1 à #9), les attelles en bois et le briquet, le support de laboratoire muni de sa pince universelle, ainsi que l'éprouvette graduée servant à mesurer l'eau de chaux.
Manipulation sûre des gaz et des flammes nues
- Conservez les tubes à essai bouchés jusqu'au moment du test, jetez les fléchettes utilisées dans le bac de récupération et comprenez pourquoi seuls de petits volumes de gaz sont manipulés près d'une flamme.
- Un tube à essai est maintenu à l'envers lors des tests à la flamme car un gaz moins dense que l'air, tel que l'hydrogène, s'échapperait autrement avant de pouvoir être testé.
Exécution correcte des trois tests de gaz classiques
- Introduisez une allumette enflammée dans un tube inversé et interprétez une micro-explosion, une flamme éteinte ou aucun changement.
- Éteignez une allumette tout en la gardant incandescente, et utilisez la braise ardente pour tester si le gaz entretient la combustion.
- Mesurez 15 mL d'eau de chaux, transférez-le rapidement dans un tube à gaz et mélangez pour tester la présence d'un précipité.
Observation systématique et déduction
- Enregistrez le résultat de chaque essai immédiatement dans le tableau des résultats.
- Déduisez l'identité de chaque inconnu à partir du profil combiné des trois tests plutôt que d'une seule observation.
Relier les observations aux propriétés chimiques
- Associez chaque test à la propriété qu'il étudie : l'inflammabilité, la capacité à entretenir la combustion et la réaction acido-basique du dioxyde de carbone avec l'hydroxyde de calcium.
- Écrivez et équilibrez les équations chimiques de la détonation de l'hydrogène et du trouble de l'eau de chaux.
Protocole
Identification des gaz inconnus
- Fixez une pince universelle au support.
- Attacher à l'envers un des éprouvettes contenant le gaz inconnu 1 (éprouvettes 1 à 3) à la pince universelle.
- Retirez le bouchon du tube à essai inversé.
- Allumez une allumette en bois.
- Insérez la gözette enflammée dans le tube à essai inversé.
- Une micro-explosion, la disparition, ou aucune modification de la flamme peuvent fournir des informations sur la nature du gaz.
- Replacez le tube à essai sur son support et jetez l'éclat dans la poubelle de récupération.
- Fixer à l'envers un deuxième tube à essai contenant le gaz inconnu 1 (tubes à essai 1 à 3) à la pince universelle.
- Retirez le bouchon du tube à essai inversé.
- Allume une autre allumette en bois.
- Agitez la baguette de bois pour l'éteindre tout en la gardant incandescente.
- Insérez l'attelle incandescente dans le tube à essai inversé.
- L'inflammation possible de la languette peut fournir des informations sur la nature du gaz.
- Replacez le tube à essai sur son support et jetez l'attelle dans la poubelle de récupération.
- Versez 15 ml d'eau de chaux dans l'éprouvette graduée.
- Tout en le maintenant dans le support de tubes à essai, ouvrez le troisième tube à essai contenant le gaz inconnu 1 et versez rapidement environ 15 mL d'eau de chaux dedans.
- Remettez le bouchon sur l'éprouvette et mélangez bien.
- La formation ou l'absence d'un précipité blanc peut fournir des informations sur la nature du gaz.
- Répétez les étapes 2 à 17 avec les éprouvettes contenant le gaz inconnu 2 (éprouvettes 4 à 6), puis avec celles contenant le gaz inconnu 3 (éprouvettes 7 à 9).
- Vérifiez le tableau des résultats sur la tablette pour déduire le contenu des éprouvettes.
Résultats attendus
Résultats attendus. Les trois inconnues se comportent comme suit.
| Inconnu | Bâtonnet incandescent | Écritoire incandescente | Eau de chaux | Identité |
|---|---|---|---|---|
| Gaz #1 (tubes 1 à 3) | micro-explosion avec un “ pop ” sec” | la braise s'éteint | aucun changement | hydrogène, H2 |
| Gaz #2 (tubes 4 à 6) | la flamme brûle plus vite et plus fort | la braise se rallume | aucun changement | oxygène, O2 |
| Gaz #3 (tubes 7 à 9) | la flamme est éteinte | la braise s'éteint | devient blanc laiteux | dioxyde de carbone, CO2 |
Pourquoi l'hydrogène fait pop. L'hydrogène est inflammable : mélangé à l'oxygène de l'air ambiant et en présence d'une source d'ignition, il brûle presque instantanément — 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g). La réaction est fortement exothermique et se propage à travers le petit volume de gaz en une fraction de seconde, produisant le « pop » couineur caractéristique d'une micro-explosion. Le tube à essai ne contient que quelques millilitres, ce qui explique précisément pourquoi la démonstration est sans danger.
Pourquoi seul l'oxygène ravive la braise. Une attelle incandescente correspond à du charbon en cours d’oxydation, juste en dessous du seuil de la flamme nue. Dans l’air ordinaire, seules 21% des molécules entrant en collision avec la braise sont de l’oxygène ; dans l’oxygène pur, cette proportion passe à 100%, le taux d’oxydation augmente à peu près proportionnellement, et la chaleur supplémentaire libérée ramène la braise au-dessus de sa température d’allumage. L’hydrogène et le dioxyde de carbone ne contiennent pas d’oxygène libre ; ainsi, dans l’un ou l’autre de ces gaz, la braise est privée d’oxygène et s’éteint.
Pourquoi l'eau de chaux se trouble. Le dioxyde de carbone est un gaz acide. Agité avec de l'eau de chaux — une solution saturée d'hydroxyde de calcium — il réagit pour former du carbonate de calcium : CO2(g) + Ca(OH)2(aq) → CaCO3(s) + H2O(l). Le carbonate de calcium étant presque insoluble, il apparaît sous forme d'une suspension de fines particules blanches qui diffusent la lumière et donnent au liquide un aspect laiteux. Ni l'hydrogène ni l'oxygène ne réagissent avec l'hydroxyde de calcium, de sorte que pour ces gaz, l'eau de chaux reste limpide.
Pourquoi la flamme s'éteint dans le dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone est le produit de combustion totalement oxydé : il ne peut plus brûler et il ne contient aucun oxygène disponible pour entretenir la flamme. Étant plus dense que l'air, il stagne également dans le tube et déplace l'air dont la flamme a besoin — le même principe exploité par les extincteurs au CO2 extincteurs.
Résumé du devoir par tranche d'âge
Classe de 3e à la 2de
- Focalisation Les gaz sont identifiés par leur comportement, et non par leur apparence, et les observations doivent être enregistrées systématiquement.
- Activités : réalisez les tests à la buchette enflammée, à la buchette incandescente et à l'eau de chaux en toute sécurité sur chaque inconnu ; enregistrez immédiatement chaque résultat dans le tableau ; identifiez les trois gaz à partir du profil combiné ; indiquez quelles observations uniques auraient été ambiguës par elles-mêmes.
11e année
- Focalisation la chimie derrière chaque test.
- Activités : Équations et explications : 1. Combustion de l'hydrogène : Équation non équilibrée : $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$ Équation équilibrée : $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$ 2. Réaction du dioxyde de carbone avec l'eau de chaux : Équation non équilibrée : $\text{CO}_2 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3 + \text{H}_2\text{O}$ Équation équilibrée : $\text{CO}_2 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3\ (\downarrow) + \text{H}_2\text{O}$ 3. Pourquoi une bûchette incandescente se rallume uniquement dans l'oxygène : L'oxygène pur offre une concentration de comburant beaucoup plus élevée que l'air (qui ne contient environ que 21 % d'oxygène). Selon la théorie des collisions, une concentration plus élevée en réactifs augmente la fréquence des collisions efficaces entre les particules. Cela accélère la vitesse de la réaction de combustion jusqu'au point où la température d'ignition est atteinte, ce qui enflamme la bûchette. Dans l'air, le taux de collisions est insuffisant pour maintenir et raviver la combustion. 4. Pourquoi les tubes sont serrés la tête en bas pour les tests de la bûchette : L'hydrogène est beaucoup moins dense (plus léger) que l'air. S'ils étaient maintenus à l'endroit, le gaz s'échapperait rapidement du tube par le haut. En inclinant le tube vers le bas, on piège l'hydrogène à l'intérieur, car il cherche à monter. 5. Pourquoi le dioxyde de carbone étouffe une flamme : Le dioxyde de carbone est plus dense que l'air et n'entretient pas la combustion. Lorsqu'il est appliqué sur une flamme, il forme une couche lourde qui recouvre le combustible, agissant comme une barrière physique qui sépare la flamme de l'oxygène présent dans l'air, privant ainsi le feu du comburant nécessaire pour brûler.
12e année / Niveau universitaire
- Focalisation logique analytique et conception de protocoles de test qualitatifs.
- Activités : Construisez la matrice de décision complète pour les trois tests et montrez que chaque gaz donne un motif unique ; tenez compte de la redissolution du précipité d'eau de chaux dans un excès de CO₂2 et sa conséquence pour l'interprétation ; déterminer la séquence minimale de tests qui permettrait d'identifier chaque gaz et quelles paires chaque test unique ne peut pas séparer ; discuter de la manière dont le protocole échouerait pour un gaz inerte tel que l'azote.
Essentiels de laboratoire
Instruments
- Allume-prix
- Éprouvettes
- Éclisses en bois
- Pied de laboratoire
- Pince
- Éprouvette graduée
Produits
- Gaz inconnus (#1 à #9)
- Eau de chaux