Zinc et soufre

Cette expérience d'oxydoréduction entre le soufre et le zinc est assez simple à mettre en œuvre et c’est l'une des plus belles réactions en raison des couleurs des flammes. Si cette réaction n'est pas assez violente pour provoquer une explosion, elle dégage cependant beaucoup de fumée et de chaleur (bien suivre les précautions).

1 Précautions

Outre les précautions en chimie qui sont d'usage, cette expérience comporte les attentions suivantes :

• Le zinc et le soufre sont en poudre très fine, il faut faire donc attention à ne pas respirer les poussières. Porter un masque qui filtre les fines particules, en plus de l'équipement classique (blouse de chimie, gants, lunettes de protections).
• Manipuler en extérieur uniquement et loin de matériaux combustibles ! Prévoir un seau de sable et un extincteur au cas où la forte chaleur de la réaction provoque un départ de feu ailleurs. Attention les feux de métaux s'éteignent par étouffement avec du sable sec et non avec de l'eau.
• Le cube d'allume-feu peut être expulsé aux alentours du fait des gaz produits par la réaction. Veillez à ce qu'il ne retombe pas sur une personne ou une matière combustible.
• Attention à la fumée dégagée qui peut contenir des oxydes de soufre (SO₂ et SO₃) et de zinc, donc irritante.

2 Matériel

• Soufre en poudre
• Zinc en poudre
• Cubes d'allume-feu ou allume-barbecue
• Pince métallique de cheminée

3 Protocole expérimental

Allume-feu au bout de la pince.

Réaction entre le soufre et le zinc en respectant les doses.

Réaction entre le soufre et le zinc, moitié-moitié.

• La poudre de zinc doit être très sèche pour que l’expérience ne rate pas. Au besoin, chauffer la poudre dans une casserole au-dessus d'une flamme ou au-dessus d'un radiateur, sans trop chauffer. Puis bien laisser refroidir la poudre.
• Dans un récipient, mélanger 10 g de zinc et 5 g de soufre , avec une spatule en bois. La poudre doit être grise et bien homogène.
• Dans un lieu extérieur et sur une surface réfractaire (pierre, tuile, brique...), déposer la poudre obtenue de façon à former un cône.
• Avec la pince métallique, saisir un allume-feu et l'enflammer. Lorsqu'il est bien allumé, le poser sur le cône de poudre. S'éloigner rapidement.
• Dès que le mélange s'enflamme, on observe une belle flamme intense verte, avec production d'une grande quantité de fumée.

4 Explications

• Le soufre (Z = 16, M = 32,06 g/mol) a une configuration électronique :

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴

Il lui manque donc 2 électrons pour compléter sa couche de valence. Il est assez électronégatif (χ = 2,5). Dans la table des potentiels standards, il apparaît comme oxydant avec un potentiel de –0.45 V :

S(s) + 2 e^– ⇄ S^2–     E⁰_S/S^2– = –0,45 V

• Le zinc (Z = 30, M = 65,40 g/mol) a une configuration électronique :

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰

Il se situe dans le bloc d du tableau périodique des éléments, mais il n'appartient pas à la famille des métaux de transition car lui ou ses ions n'ont pas une couche 3d incomplète. Ceci dit, dans le cas d'une configuration électronique 4s² 3dⁿ, ce sont les électrons de la sous-couche 4s qui sont arrachés en premier (et non ceux de la sous-couche 3d). Le zinc aura donc tendance à perdre 2 électrons pour obtenir une couche de valence complètement remplie. Il est assez électropositif (χ = 1,6). Dans la table des potentiels standards, il apparaît comme réducteur avec un potentiel de –0.76 V :

Zn²⁺ + 2 e^– ⇄ Zn(s)     E⁰_Zn²⁺/Zn = –0,76 V

• Il y a donc une réaction d'oxydo-réduction possible, conduisant au sulfure de zinc solide :

Zn(s) + S(s) → ZnS(s)

Il faut donc un mélange équimolaire pour que la réaction soit faite dans des conditions stœchiométriques. Avec les masses indiquées, on a :

n_S = 5/32,06 = 0,156 mol

n_Zn = 10/65,40 = 0,153 mol

• C'est une réaction très exothermique, qui dégage donc beaucoup de chaleur. La chaleur produite excite le ZnS formé, lequel se désexcite en émettant de la lumière verte. Cette émission de raie se superpose à l'émission du corps noir (voir l'expérience des étincelles) qui produit la majorité de la lumière intense.
• D'autre part, la forte chaleur va faire deux réactions parasites à celle de formation de ZnS :
  • Le soufre seul va brûler en présence du dioxygène de l'air pour former du dioxyde de soufre SO₂ et du trioxyde de soufre SO₃ , gazeux, qui se combinent avec l'humidité de l'air pour former un brouillard acide et irritant .
  • Le zinc seul va s'oxyder avec le dioxygène de l'air pour former de l'oxyde de zinc ZnO (fumée blanche).
• Variante : pour obtenir une réaction plus lente mais avec une magnifique flamme bleue, il suffit de faire la même expérience avec autant de masse de soufre que de zinc.

5 Vidéo

• L'expérience en vidéo (1 Mo, QuickTime)

Merci à pep3000 pour cette contribution.