Electrolyse et formation gaz explosifs

[Papy One]

Bonjour,
De part leur profession, les plongeurs scaphandriers sont amenés à régulièrement faire des soudures sous eau.
Comme en surface, nous employons la technique du soudage à l’arc.
Or ce n’est pas au gens de ce forum que je dois l’apprendre, mais le fait de souder dans l’eau génère par électrolyse une certaine quantité d’oxygène et d’hydrogène.
Etant donné que ce mélange est plutôt explosif (nous en faisons souvent l’expérience), j’aimerais :
1° savoir s’il est possible de calculer combien de litre de mélange explosif sera produit par électrode de soudage.
Pour votre info, avec les électrodes que nous utilisons, l’intensité utilisée est d’environ 200 Ampères, le voltage 28 à 32 volts, la durée de combustion d’une électrode de Ø 4 mm est d’environ 50 secondes.
2° Nous faisons également des découpages avec des électrodes creuses avec une intensité de 350 à 400 ampères et 45 volts, la durée de combustion d’une électrode Ø 7 mm est d’environ 45 secondes donc ici ma question est de savoir si la production d’hydrogène augmente avec l’intensité.

Electrolyte : eau douce et eau de mer.

Comme je ne suis pas un matheux, pourriez-vous développer les éventuelles formules d’une manière assez simple pour que je sois à même de les comprendre facilement.
Merci d’avance

Papy One
lien effacé (cf la charte)
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[curieuxdenature]

Bonjour

je n'ai aucune idée du volume et de la nature des gaz formés dans cette soudure là. Cela ne doit surement pas être tout simple, il me semble qu'une bonne partie de l'oxygène et de l'hydrogène doit se recombiner dans l'arc pour former de la vapeur d'eau.

Tu peux estimer quel est le volume des bulles qui remonte à la surface ?
A mon sens ces bulles ne sont pas de la vapeur d'eau puisqu'elle doit forcément se recondenser en montant. Ce qui subsiste est le mélange réellement formé de O + H2.

[danyvio]

En 50 secondes on ne doit pas obtenir beaucoup d'O et de H. De plus, les bulles doivent vite monter à la surface sans chercher à se rencontrer, et enfin, si le milieu est un électrolyte, il s'agit sans doute d'eau de mer, et alors il y probablement formation d'hypochlorure de sodium (eau de Javel). J'e n'imagine pas que dans ces conditions on puisse recueillir un mélange dangereux (contrairement à ce que j'ai fait dans mon imprudente jeunesse

[curieuxdenature]

A part ça, si la conversion était totale, c'est effectivement l'intensité du courant qui déterminerait la quantité de gaz. (la tension doit dépasser ~3 volts)
Il y a une relation toute simple qui fait intervenir le nombre de Faraday.
En théorie 96500 coulombs forment 1 gramme d'hydrogène.
Un coulomb étant un Ampère à chaque seconde.
Pour obtenir 1 gramme à partir de 400 Ampères on devrait attendre environ 240 secondes, soit 4 mn.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gilgamesh]

Pas mieux que ça

Michel Mincke

Sous 45 V, bcp de cations autres que H+ peuvent réagir à la cathode. La réponse ne peut donc être que très approximative.
Si on considère que seuls les cations H+ sont présents dans l'eau, le volume maximum de dihydrogène dégagé se calcule comme suit :

nombre de moles d'électrons fournis pendant 40 secondes = I x t/96500 = 200 * 40/96500 = 0.083 mol

Pour fabriquer 1 mole de dihydrogène, il faut 2 moles d'électrons.
nombre de moles d'électrons = 0.083/2 = 0.042 mol

Si on se place à 0°C et sous une pression de 1 atm, le volume de dihydrogène produit = nombre de moles x 22.4 = 0.042 * 22.4 = 0.93 litres





a+

[Papy One]

Pas mieux que ça

Michel Mincke

Sous 45 V, bcp de cations autres que H+ peuvent réagir à la cathode. La réponse ne peut donc être que très approximative.
Si on considère que seuls les cations H+ sont présents dans l'eau, le volume maximum de dihydrogène dégagé se calcule comme suit :

nombre de moles d'électrons fournis pendant 40 secondes = I x t/96500 = 200 * 40/96500 = 0.083 mol

Pour fabriquer 1 mole de dihydrogène, il faut 2 moles d'électrons.
nombre de moles d'électrons = 0.083/2 = 0.042 mol

Si on se place à 0°C et sous une pression de 1 atm, le volume de dihydrogène produit = nombre de moles x 22.4 = 0.042 * 22.4 = 0.93 litres





a+

Ben là tu es fort, tu as réussi à retrouver la réponse que j'avais égaré depuis très longtemps.
En la relisant, je vois que l'auteur du message tiens compte du voltage.
Cela veut-il dire que l'intensité n'est pas importante dans la formation des gaz ?

[Papy One]

En 50 secondes on ne doit pas obtenir beaucoup d'O et de H. De plus, les bulles doivent vite monter à la surface sans chercher à se rencontrer, et enfin, si le milieu est un électrolyte, il s'agit sans doute d'eau de mer, et alors il y probablement formation d'hypochlorure de sodium (eau de Javel). J'e n'imagine pas que dans ces conditions on puisse recueillir un mélange dangereux (contrairement à ce que j'ai fait dans mon imprudente jeunesse

Hé malheureusement que si, les gaz formés sont extremement explosifs.
En général on n'utilise pas qu'une seule électrode.
Avant chaque travail de ce type on doit s'assurer que les gaz puissent remonter librement en surface et ne pas se confiner dans un espace clos où ils formeraient une poche gazeuse qui ne demande qu'une petite étincelle pour exploser.
De nombreux plongeurs scaphandriers ont malheureusement déjà payés de leur vie cette mauvaise préparation.

[predigny]

Si il y a formation d'hydrogène et d'oxygène c'est sans doute plus par craquage de la molécule d'eau (vapeur) sous l'action de la chaleur que par électrolyse car l'eau, même salée, n 'est pas un si bon conducteur de ça ; de plus les baguettes sont isolées et là où elles ne le sont pas, la chaleur est telle qu'il n'y a pas contact avec l'eau mais seulement avec de la vapeur. C'est juste une impression, pas un avis de spécialiste.

[Gilgamesh]

Ben là tu es fort, tu as réussi à retrouver la réponse que j'avais égaré depuis très longtemps.
En la relisant, je vois que l'auteur du message tiens compte du voltage.
Cela veut-il dire que l'intensité n'est pas importante dans la formation des gaz ?

Au contraire, c'est l'intensité qui est fondamentale et en première approximation la seule variable du courant (UI) prise en compte dans le calcul.

Le calcul présenté te donne un maximum absolu, cad le cas où les électrons du courant sont tous investis dans une réaction de dissociation.

Le calcul de la véritable proportion réagissante me semble plutôt ardu dans la mesure où le courant forme un arc qui est lui même un milieu conducteur bien plus efficace que l'eau (sinon la technique serait inopérante !), et dans lequel vont s'engouffrer préférentiellement les électrons sans réagir avec l'eau. Mais dans quelle proportions, ça c'est pas commode à déterminer.


Concretement, si tu as besoin de cette proportion, vu que tu as tous le matériel et la technique pour se faire, pourquoi ne pas expérimenter, en recueillant le gaz dégagé et en mesurant son volume dans une récipient gradué.

Une fois le volume total dégagé recueilli c'est simple. Tu auras 2/3 d'H2 et 1/3 d'O2.
22,4 l = 1 mole de gaz
1 mole d'H2 = 2g
1 mole d'O2 = 32 g



a+

[LPFR]

Bonjour.
Le voltage contribue seulement à faire passer plus ou moins de courant, comme dans une résistance. Pour électrolyser de l'eau, moins de deux volts suffisent. Mais pour que le dégagement de gaz soit visible, il faut des courants élevés (quelques dizaines d'ampères) et pour les obtenir il faut plusieurs dizaines de volts, même pour de l'eau salée.
Au revoir.

[chatelot16]

bien sur la formation de gaz par electrolyse est proportionnelle au courant , mais au courant passant dans l'eau

le courant de l'arc electrique passe directement de l'electrode a la masse sans rien electrolyser

reste a savoir quel est le courant qui passe de l'electrode a la masse par l'eau sans passer par l'arc : c'est ce courant de fuite qui compte pour l'electrolyse

il est indepandant du courant principal de l'arc : il depand plutot de la tension et de la distance a parcourir dans l'eau

un poste de soudure envoie un courant constant : la tension est maximum quand l'arc est eteind , mais la distance a parcourir dans l'eau est alors importante et le courant d'electrolyse doit etre faible

quand l'arc est puissant il n'y a plus que 10 ou 20 volt , et le courant dans l'eau doit contourner la bulle de gaz de l'arc : le courant de fuite ne doit pas etre enorme non plus

donc de toute facon ce n'est pas les 200 A qu'il faut prendre pour le calcul mais un courant beaucoup plus faible qui reste a determiner

[chatelot16]

autre question : est ce que la forte temperature decompose de l'eau et fait du gaz

dans de la vapeur d'eau seche un arc electrique decompose l'eau et fait de l'hydrogene mais c'est sans interet car l'hydrogene et l'oxygene se recomposent instantanement en s'ecartant de la zone chaude

question : est ce que sous l'eau le refroidissement ne serait pas suffisament violent pour que l'hydrogene et l'oxygene sortent de la zone chaude sans se recombiner

je ne sais pas si ce phenomene existe , si il existait trop bien ca consomerai une puissance enorme et on ne pourait jamais chauffer assez pour souder

[predigny]

....dans de la vapeur d'eau seche un arc electrique decompose l'eau et fait de l'hydrogene mais c'est sans interet car l'hydrogene et l'oxygene se recomposent instantanement en s'ecartant de la zone chaude...

Pas évident que ces gaz se recomposent. Lavoisier faisait bien de l'ydrogène en faisant passer de la vapeur d'eau dans un tube en fer chauffé au rouge. L'oxygène natif est très actif et se combine avec le fer ; reste l'hydrogène. Dans la soudure à l'arc, on à bien des métaux ferreux très chauds en présence.

[LPFR]

Re.
L'arc de la soudure se fait dans une bulle de gaz formé par de la vapeur d'eau et des gaz dégagées par les produits qui recouvrent les baguettes.
S'il y a électrolyse c'est bien par des courants de fuite, qui doivent être diminués par le revêtement de baguettes, comme l'a signalé Predigny.
Et comme l'a dit Danyvio, l'électrolyse de l'eau salée ne donne pas oxygène et hydrogène, mais hydrogène et quelque chose de vert qui doit être ce qu'a dit Danyvio: hypochlorure de sodium ou tout simplement du chlore dissout dans l'eau.

Pour ce qui concerne la décomposition de l'eau à haute température, Chatelot16 a raison: la vapeur d'eau se décompose bien quand on chauffe: à 2000°C, 5% de la vapeur est décomposée. Mais il est probable que la plupart (mais pas tout) se recompose dans les couches froides près de l'eau liquide.
A+

[Papy One]

Merci déjà pour toutes ces réponses super intéressantes qui remettent un peu en cause ce que l’on nous (les scaphs) apprend depuis bien longtemps.
Si je suis vos réflexions, le mélange de gaz explosif produit au cours du soudage ne serait pas tellement produit par l’électrolyse, mais plutôt par la vaporisation de l’eau provenant de la haute température de l’arc électrique ainsi que par le métal en fusion autour de se même arc.
A bien y réfléchir, cela semble me parait plausible.
En effet, avant de commencer à souder (ou découper) nous faisons souvent un test afin de vérifier si la polarité indiquée sur les bornes du groupe de soudure correspond bien à la réalité.
Pour cela, nous immergeons la masse dans un seau d’eau salée. Ensuite, après avoir mis une électrode dans la pince de soudage, nous approchons l’extrémité de celle-ci à quelques millimètres de la masse. Aussitôt, après avoir branché le courant un flux de petites bulles est généré autour de la pointe de l’électrode, ou de la masse en fonction du branchement.
Or, à bien y regarder, le volume de gaz produit, durant ces quelques secondes de test me semble bien moins important que le volume de gaz produit pendant le soudage d’une électrode.
Si cela vous intéresse, sur la vidéo de soudage sous eau présente sur mon blog lien effacé (cf la charte) , on aperçoit très bien les bulles de gaz qui remontent en surface.
Il y a quelques années, j’avais par simple curiosité récupérée les gaz produit par une électrode dans un sac plastique que j’avais placé au-dessus de la pièce à souder et pu ainsi déterminer qu’à la profondeur de travail, une baguette produisait entre 4 à 5 litres de gaz.
Peut être ferais-je bien de faire ce type de mesure lors d’un test de polarité.
En réponse à chatelot13, en soudage sous-marin, on nous apprend que la vitesse de refroidissement des pièces est d’environ 400 c° / sec.

[LPFR]

Re.
Est-ce que le gaz est vraiment explosif?

Vous pourriez faire le test et recueillir une petite quantité (beaucoup moins d'un litre) et voir si cela explose. Je suis prêt à parier un café que non, et que c'est une idée reçue.

Car même s'il y avait une petite quantité hydrogène provenant de l'électrolyse et de la réduction de l'eau par du fer au rouge, le gaz ne contient par d'oxydant (ni oxygène ni chlore). Donc, dans le pire de cas, il peut brûler à l'air, mais non exploser.

Connaissez-vous le produit qui recouvre les baguettes? C'est pour imaginer quel gaz il pourrait dégager une fois chauffé et fondu.

A+

[Papy One]

Re.
Est-ce que le gaz est vraiment explosif?

Vous pourriez faire le test et recueillir une petite quantité (beaucoup moins d'un litre) et voir si cela explose. Je suis prêt à parier un café que non, et que c'est une idée reçue.

Car même s'il y avait une petite quantité hydrogène provenant de l'électrolyse et de la réduction de l'eau par du fer au rouge, le gaz ne contient par d'oxydant (ni oxygène ni chlore). Donc, dans le pire de cas, il peut brûler à l'air, mais non exploser.

Connaissez-vous le produit qui recouvre les baguettes? C'est pour imaginer quel gaz il pourrait dégager une fois chauffé et fondu.

A+

Pour exploser, je peux t'assurer que ça pête bien et que cela fait vraiment très mal.
Rien que l'explosion de quelques cm³ autour de la main, m'ont à maintes fois rappelé les coups de règle que je recevais sur le bout des doigts lorsque je ne voulais pas écrire de la main droite
En ce qui concerne l'enrobage des électrodes, il s'agit presque exclusivement d'enrobage rutile recouvert par une couche de vernis afin de pouvoir l'utiliser sous eau.

[LPFR]

Pour exploser, je peux t'assurer que ça pête bien et que cela fait vraiment très mal.
Rien que l'explosion de quelques cm³ autour de la main, m'ont à maintes fois rappelé les coups de règle que je recevais sur le bout des doigts lorsque je ne voulais pas écrire de la main droite
En ce qui concerne l'enrobage des électrodes, il s'agit presque exclusivement d'enrobage rutile recouvert par une couche de vernis afin de pouvoir l'utiliser sous eau.

Re.
Bon, je vous dois un café.
Peut-être que c'est l'oxyde de titane (qui se décompose vers 1650°C) qui fabrique l'oxygène, mais c'est curieux que l'on utilise un enrobage pour sa production d'oxygène alors que d'habitude on utilise des enrobages précisément pour protéger le métal de l'oxygène.
À moins que le processus soit celui mentionné plus haut de la décomposition de l'eau à haute température et le refroidissement brusque des gaz qui empêche leur recombinaison, mais c'est difficile à avaler.
A+

[Gilgamesh]

Effectivement, de ce que j'ai lu sur divers site, c'est la température de l'arc qui semble le premier facteur de dissociation :

http://www.metalwebnews.com/howto/un...er-welding.pdf

Hydrogen Embrittlement (embrittlement = fragilisation) – Large amount of hydrogen is present in the weld region, resulting from the dissociation of the water vapour in the arc region. The H2 dissolves in the Heat Affected Zone (HAZ) and the weld metal, which causes embrittlement, cracks and microscopic fissures. Cracks can grow and may result in catastrophic failure of the structure.

http://www.isope.org/publications/pr.../I99v4p207.pdf

Due to the high temperatures in the welding (weld=soudure) arc the surrounding water dissociates into hydrogen and oxygen. Some hydrogen is taken up by the molten metal. On temperature decrease the hydrogen solubility is reduced resulting in hydrogen embrittlement

[Papy One]

Effectivement, de ce que j'ai lu sur divers site, c'est la température de l'arc qui semble le premier facteur de dissociation :

http://www.metalwebnews.com/howto/un...er-welding.pdf

[
http://www.isope.org/publications/pr.../I99v4p207.pdf

[/I]

Merci pour ces 2 liens intéressants.

[Papy One]

Bonjour à tous,
Il y a quelques années, j’avais déjà posté une question concernant la formation d’hydrogène par électrolyse lors du soudage sous eau.
Cette fois, j’ai une autre question qui concerne la formation d’hydrogène lors d’un découpage sous eau.
Pour découper de l’acier sous eau le plongeur-scaphandrier a entre autre à sa disposition les deux outils suivant : le chalumeau sous-marin et les électrodes de découpage.
Dans le cas des électrodes de découpage, celles-ci fonctionnent suivant le principe des lances thermiques terrestre, sauf que sous eau l’allumage se fait en créant un arc électrique (même principe qu’une électrode de soudage) et est ensuite suivi par l’injection d’oxygène pur au travers de l’électrode, ce qui a donc pour effet de dissocier la molécule d’eau en oxygène et hydrogène.
Comme vous me l’aviez expliqué il y a quelques années, l’électrolyse était provoquée par le courant électrique utilisé.
Donc dans la pratique, pour limiter la formation de ce mélange fortement explosif, les scaphandriers ont pris pour habitude de couper le courant électrique dès que leur électrode est allumée.
Par contre, ce mélange H²/O² est également produit par électrolyse de l’eau à cause de la chaleur généré par le bout de l’électrode.
D’où ma question ci-après :
En sachant que la température générée par l’extrémité de l’électrode est d’environ 5500 degré C° et que cette même électrode se consume en +/- 45 sec (consommation oxy + /- 300 l), j’aurais aimé savoir si il était possible de quantifié (théoriquement) la quantité d’hydrogène produit au cours de cette durée de combustion.
Merci d’avance pour vos réponses, en précisant encore une fois que je ne suis pas un matheux ;O)