La lampe sans flamme

Une belle expérience de catalyse hétérogène est celle de l'oxydation de l'éthanol en éthanal par le cuivre métallique. C'est une expérience souvent présentée au lycée sous le nom de "lampe sans flamme".

1 Précautions

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

• L'éthanal est inflammable et nocif en grande quantité, il est préférable de manipuler dans une pièce ventilée.
• Attention au fil de cuivre chauffé, qui peut rester chaud pendant plusieurs minutes après arrêt de l'expérience.
• Porter des lunettes de protection.

2 Matériel et produits

• Fil de cuivre de ~20 cm (dénudé)
• Éthanol  : ~5 mL
• Bécher de 150 mL
• Spatule
• Bec Bunsen ou chalumeau

3 Protocole

Montage expérimental.

• Prendre le fil de cuivre (fil ou câble électrique) et l'enrouler en forme de tire-bouchon autour d'une baguette. Le fixer un bout au milieu d'une spatule et donner au fil entortillé une longueur de sorte que, une fois la spatule posée sur le bord du bécher, le fil entre à mi-hauteur dans le bécher.
• Placer un peu d'éthanol au fond d'un bécher.
• Dans la pénombre, chauffer le fil de cuivre dans la flamme d'un chalumeau jusqu'à ce qu'il soit rouge incandescent.
• Poser la spatule sur le bord du bécher. Surtout ne pas tremper le cuivre dans l'éthanol !
• On observe que le fil de cuivre reste rouge orangé incendescent pendant longtemps, avec des variations d'intensité et de couleur, et qu'une odeur de pomme verte se dégage de la réaction.
• Retirer le fil de cuivre : on observe que celui-ce arrête son incandescence (il est très chaud) et devient noir (mais encore très chaud). L'odeur de pomme verte cesse de se dégager.

4 Explications

• Lorsqu'on chauffe très fortement le fil de cuivre, il émet une lumière orangée puis rouge. Ceci est lié à la température de la flamme comme expliqué dans l'expérience des étincelles. Le cuivre n'est pas assez réactif pour faire une combustion et brûler avec le dioxygène contenu dans l'air.
• Cependant, les vapeurs d'éthanol qui sont dans le bécher peuvent réagir avec le dioxygène de l'air, et grâce au cuivre, pour donner une nouvelle molécule : l'éthanal , dont l'odeur rappelle la pomme verte. À forte concentration ou à force de le respirer, il peut donner des maux de tête ! L'équation bilan est :

2 CH₃-CH₂-OH(g) + O₂(g) → 2 CH₃-CH=O(g) + 2 H₂O(g)

• Cette réaction peut durer jusqu'à ce que tout l'éthanol s'évapore.
• La chaleur du fil produit un courant de convection des vapeurs dans le bécher, ce qui donne des variations dans l'intensité de l'incandescence.
• Si le fil reste incandescent (donc très chaud, environ 900°C), c'est parce que la réaction d'oxydation de l'éthanol en éthanal dégage de la chaleur. Cette chaleur est transférée au fil de cuivre et sa température ne diminue donc pas.
• La réaction de l'éthanol (combustible) avec le dioxygène (comburant) n'est pas une combustion produisant du dioxyde de carbone et de l'eau, comme on pourrait s'y attendre quand on fait brûler l'alcool :

CH₃-CH₂-OH(g) + 3 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 3 H₂O(g)

Ici, la réaction en présence du cuivre métallique conduit à l'éthanal par une oxydation plus douce (ou encore, une déshydrogénation, puisque l'éthanol a perdu deux hydrogènes). Il s'agit ici de catalyse. On dit que la catalyse est hétérogène car le cuivre est solide, alors que les réactifs et les produits sont des gaz (vapeurs).

• Une autre interprétation est la suivante : d'abord le cuivre s'oxyde pour former l'oxyde de cuivre (II), CuO :

2 Cu(s) + O₂(g) → 2 CuO(s)

Ensuite l'éthanol réagit avec CuO pour donner l'éthanal et régénérer le cuivre :

CuO(s) + CH₃-CH₂-OH(g) → Cu(s) + CH₃-CH=O(g) + H₂O(g)

Si l'on additionne ces deux équations, et qu'on simplifie des deux côté par Cu(s) et CuO(s) on retrouve l'équation bilan citée plus haut.

• Dans ce mécanisme, le cuivre réagit lors de son oxydation, puis est régénéré de sa réduction, mais au final il n'est pas consommé. C'est un catalyseur de la réaction.
• À la fin de la réaction on remarque que le cuivre métallique, au départ de couleur rouge, est noir ou irisé en fin d'expérience. Cela est dû à l'oxyde de cuivre (II) CuO qui se forme avec le dioxygène de l'air lorsque le cuivre est très chaud.