Panache de brouillard

C'est en fait la même réaction que lors de la transformation du vin en soda mais avec de plus grandes quantités.

1 Précautions

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

• L'eau oxygénée concentrée provoque de graves brûlures à la peau et aux muqueuses. L'opérateur doit porter des gants et des lunettes de protection (en plus de la blouse habituelle). La température du récipient est aussi très élevée, il vaut mieux éviter de saisir le bécher en portant des gants en latex (délai avant de ressentir la température et risque de glissement).

2 Matériel

• 1 grand erlenmeyer ou bécher (1 L)
• Permanganate de potassium KMnO₄ sous forme de poudre ou de cristaux
• Eau oxygénée à 50, 110 ou 130 volumes H₂O₂

3 Protocole expérimental

Ajout du permanganate de potassium dans l'eau oxygénée. On distingue la phase inférieure incolore (eau oxygénée) et la phase supérieure foncée (permanganate de potassium et dioxyde de manganèse). Le brouillard est constitué de fines goutelettes d'eau. Crédit photo : O. Got, Université Bordeaux 1

• Verser 150 mL d'eau oxygénée à 30% dans le grand récipient et ajouter 150 mL d'eau, de manière à diluer de moitié.
• Verser une pincée de permanganate de potassium dans le bécher, la réaction est très vive et dégage un épais brouillard blanc qui se dissipe en quelques secondes.
• Lorsqu'on agite légèrement le récipient, la réaction reprend, et ceci jusqu'à ce que l'eau oxygénée ait été totalement consommée.

4 Explications

• Le permanganate de potassium réagit avec l'eau oxygénée pour produire du dioxyde de manganèse sous la forme d'un fin précipité noir.

2 KMnO₄(s) + 3 H₂O₂(aq) → 2 MnO₂(s) + 2 KOH(aq) + 3 O₂(g) + 2 H₂O(g)

• Le dioxyde de manganèse produit catalyse la décomposition de l'eau oxygénée restante.

2 H₂O₂(aq) → 2 H₂O(l) + O₂(g)

• Cette réaction est très exothermique (dégagement important de chaleur). Sous l'effet de la chaleur, l'eau passe de l'état liquide à l'état gazeux (vapeur d'eau invisible), et cette vapeur d'eau se recondense instantanément en fines gouttelettes d'eau en suspension donnant un brouillard blanc.
• Le brouillard, constitué d'un liquide (ici l'eau) en suspension dans l'air, n'est pas à confondre avec une fumée qui est un solide en suspension dans l'air et fini par se déposer sur les surfaces (meubles, etc). Il se forme par condensation de la vapeur d'eau :

H₂O(g) → H₂O(l) (brouillard)

• La réaction a lieu immédiatement et à la surface de l'eau, de sorte qu'il se crée deux phases dans le bécher : la phase inférieure contenant de l'eau oxygénée et la phase supérieure contenant un excès de permanganate. Lorsqu'on agite légèrement le récipient, les deux phases se mélangent et la réaction se poursuit.
• Cette réaction dégage aussi du dioxygène O₂ gazeux . On peut le mettre en évidence grâce à une baguette de bois incandescente (c'est-à-dire une combustion dans flamme). La baguette, plongée dans le récipient, se rallume avec apparition d'une flamme, ce qui indique la présence du dioxygène, très bon comburant. (Voir combustion : le triangle du feu et combustion dans l'oxygène pur.) Il faut faire ce test rapidement, car le dioxygène chaud est moins dense que l'air et a tendance à s'échapper rapidement du flacon.
• Cette réaction peut se faire en utilisant directement du dioxyde de manganèse , mais passer par le permanganate permet d'obtenir du dioxyde de manganèse sous forme d'une poudre extrêmement fine. Cela augmente la surface du catalyseur, qui est un des paramètres importants pour de la catalyse hétérogène.

5 Vidéo

• L'expérience en vidéo (10,8 Mo, QuickTime)

6 Références

• D. B. Broughton et R. L. Wentworth, "Mechanism of Decomposition of Hydrogen Peroxide Solutions with Manganese Dioxide. I", Journal of the American Chemical Society, 1947, vol. 69, nᵒ4, p. 741‑44, DOI 10.1021/ja01196a003
• Karzan Abdulkareem Omar, "Catalytic decomposition of hydrogen peroxide on manganese dioxide nanoparticles at different pH values", IMPACT : International Journal of Research in Engineering & Technology, 2014, vol.2, p. 241‑48 (lien)