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Sujet 16: Dihydrogène et ballons dirigeables

Paracelse, Cavendish, Lavoisier sont quelques-uns des scientifiques rattachés à l’histoire du dihydrogène,

gaz inodore et incolore, découvert depuis plus de trois siècles. On le produisait à l’époque en faisant réagir

de l’acide sulfurique ou de l’acide chlorhydrique sur différents métaux comme le fer, le zinc ou encore

l’étain. Les frères Montgolfier, Jacques Charles et Nicolas Robert qui avaient construit le premier ballon

à air chaud, mirent au point le premier ballon à gaz, rempli de dihydrogène. Le 27 août 1783, ce ballon

s’éleva dans les airs depuis le Champ-de-Mars à Paris. Plus tard, d’autres ballons ont été construits et

équipés de moteurs, ouvrant au début du 20ème siècle, une nouvelle technique de navigation aérienne

avec les dirigeables, comme ceux construit par la société allemande Zeppelin.

Cet exercice a pour objectif, l’étude d’une transformation chimique permettant de produire du dihydro-

gène, puis l’interprétation de l’accident survenu en 1937 à l’Hindenburg, un ballon dirigeable gonflé au

dihydrogène.

Partie 1 – Étude d’une transformation chimique permettant de produire du dihydrogène

Pour observer cette transformation, on réalise le montage représenté ci-contre.

On introduit dans un erlenmeyer un morceau de ruban de magnésium Mg (s)

, de masse m= 40 mg, et un volume Va = 100mL d’une solution aqueuse S

d’acide chlorhydrique (H+(aq) + Cl–(aq)), de concentration en ions H+ égale à

5,0 · 10−1 mol·L−1.

En réalisant l’expérience à 20 ◦C, on recueille, par déplacement d’eau, un gaz

que l’on peut identifier à du dihydrogène dont on relève à intervalle de temps ré-

guliers le volume dégagé et l’on obtient le graphique représenté ci-après. L’équa-

tion de la réaction modélisant la transformation chimique s’écrit :

Mg(s) + 2 H+(aq)

Mg2+(aq) + H2(g)

Données

— Volume molaire des gaz dans les conditions de l’expérience : Vm = 24,0L · mol−1.

— Couples oxydant-réducteur : Mg2 (aq) / Mg(s) et H+(aq) / H2(g)

— Masse molaire atomique du magnésium : M(Mg) = 24,3g·mol−1

— Pictogrammes de sécurité :

Magnésium en ruban

Acide chlorhydrique

Dihydrogène

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Sujet 16: Dihydrogène et ballons dirigeables

Physique-Chimie / 1ère Spécialité

1.1 Quelle(s) précaution(s) faut-il prendre pour manipuler de l’acide chlorhydrique?

L’acide chlorhydrique prote le pictogramme corrosif. Lors de la manipulation il est donc nécessaire de porter des gants

en latex, et des lunettes de protection.

1.2 Proposer un test pour montrer que le gaz formé au cours de cette transformation chimique est bien du dihydrogène.

La présence de dihydrogène peut être mise en évidence en libérant le gaz contenu dans l’éprouvette à proximité d’une

flamme. Le dihydrogène, combustible, produit alors une détonation caractéristique

1.3 Identifier parmi les réactifs, celui qui joue le rôle d’oxydant et celui qui joue le rôle de le réducteur.

L’oxydant est l’espèce susceptible de gagner des électrons, donc ici les ions H+. Le réducteur est l’espèce susceptible

de perdre des électrons, donc ici le magnésium métallique.

1.4 Déterminer les quantités de matière initiales des réactifs.

Quantité initiale de magnésium : ni(Mg) =

m(Mg)

M(Mg)

= 40 · 10−3

24,3

= 1,65 mmol

Quantité initiale d’ions H+ : ni(H+) = C × V = 0, 5 × 0, 1 = 50 mmol

1.5 Compléter tableau d’avancement de la transformation et en identifier le réactif limitant.

Si Mg est limitant : xm,1 = ni(Mg)=1,65 mmol

Si H+ est limitant : xm,2 =

ni(H+)

2

= 25 mmol

On remarque : xm,1 < xm,2, donc xm = xm,1 = 1,65 mmol ≈ 1,6 · 10−3 mol, de plus les ions H+ sont limitants.

1.6 Montrer qu’en fin de transformation une quantité maximale nmax(H2)=1,6 · 10−3 mol de dihydrogène pourrait être

formé si la transformation est totale.

Si la réaction est totale : nmax(H2) = xmax = 1,65 mmol ≈ 1,6 · 10−3 mol

1.7 A partir des mesures expérimentales effectuées :

— déterminer à partir de quand la transformation peut être considérée comme terminée

— relever la valeur du volume V (H2) de dihydrogène obtenu à la fin de l’expérience.

— déterminer la valeur de l’avancement final de la réaction

La transformation peut être considérée terminée lorsque le volume de dihydrogène cesse d’augmenter, c’est à dire

à partir de t = 260s. Le volume de dihydrogène alors recueilli est alors : Vf (H2) = 39mL. Or d’après le TA :

xf = nf (H2) =

Vf (H2)

Vm

= 39 · 10−3

24

= 1,62 · 10−3 mol

1.8 Peut-on considérer que la transformation étudiée est une transformation totale? Justifier.

On remarque : xf ≈ xm. La réaction est donc bien totale.

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Physique-Chimie / 1ère Spécialité

Partie 2 – Un accident de dirigeable gonflé au dihydrogène qui a marqué l’histoire

L’Hindenburg a été le 129ème dirigeable construit par la société allemande Zeppelin entre 1935

et 1936. Dirigeable le plus grand et le plus luxueux jamais construit, avec ses dimensions hors

normes de plus de 240 m de long, il pouvait accueillir 124 personnes et comportait une salle à

manger, un salon de lecture, un fumoir, des cuisines et plusieurs cabines. Disposant d’un volume

de dihydrogène de près de 200 000 m3 et de 4 moteurs il affichait une vitesse de croisière de

plus de 120 km/h. Le 6 mai 1937, lors de son 63ème voyage et après 77 heures de vol, il s’est

écrasé à l’atterrissage à Lakehurst dans le New Jersey. On explique aujourd’hui cet accident de la

façon suivante : après trois jours de vol, le dirigeable chargé d’électricité statique et après avoir

rencontré un orage aurait connu une défaillance technique engendrant une fuite de dihydrogène.

Une décharge d’électricité statique créée lorsqu’une des amarres du dirigeable a touché le sol aurait

amorcé la combustion du dihydrogène, réaction du dihydrogène avec le dioxygène de l’air.

Données

— Équation de la réaction modélisant la combustion du dihydrogène :

H2(g) + 1

2

O2(g)

H2O(l)

— Numéros atomiques : H (Z = 1); O (Z = 8)

— Énergies de liaison

Liaison

H – H

O = O

O – H

Énergie de liaison (en

kJ·mol−1)

436

496

463

— Volume molaire des gaz à 20 ◦C : Vm = 24,0L · mol−1

— Le TNT (trinitrotoluène) est un explosif. On compare souvent les énergies produites lors des explosions en équivalent

TNT, l’explosion d’un gramme de TNT libérant une énergie de 4184 J.

2.1. Établir les schémas de Lewis des molécules H2 , O2 et H2O.

H

H

O O

H

O

H

2.2. Identifier la nature et le nombre de liaisons rompues et formées au cours de la combustion du dihydrogène.

La combustions d’une mole de dihydrogène suivant la réaction proposée est à l’origine de la rupture d’une mole de

liaison H-H et d’une demi-mole de liaisons O=O. Elle entraîne en outre la formation de 2 moles de liaisons O-H

2.3. Combien de tonnes de TNT produiraient une énergie équivalente lors de son explosion à celle produite par l’explosion

du dihydrogène contenu dans l’Hindenburg ?

Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie même si elle n’a pas abouti.

Déterminons tout d’abord l’énergie molaire de réaction associée à l’équation de combustion proposée :

Sreaction = SH−H +

1

2

SO=O − 2SO−H

Sreaction = 436 +

1

2

496 − 2 × 463 = −242 kJ · mol−1

Calculons ensuite quantité de matière de dihydrogène contenue dans le dirigeable :

nH2 =

V (H2)

Vm

=

200000

24 · 10−3

= 8,33 · 106 mol

Le transfert thermique associé à la combustion de tout le dihydrogène contenue dans le ballon vaut alors :

Q = nH2 × Sreaction = −2,02 · 1012 J

Sachant que l’explosion d’un gramme de TNT libère 4184 J, on en déduit par proportionnalité , la masse de TNT dont

l’explosion libère la même quantité d’énergie que celle associée à la combustion de tout le dihydrogène contenu dans

l’Hindenburg :

m(TNT) =

|Q|

4184

=

2,02 · 1012

4184

= 4,82 · 108 g = 482 t

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