L'électrolyse

Un peu d'histoire

C'est en 1800 que la toute première électrolyse a été réalisée par deux chimistes originaires de Londres, William Nicholson et Sir Anthony Carlisle. Ils réalisent une électrolyse de l'eau.

L'électrolyse met en jeu deux couples rédox. Il les fait réagir dan le sens contraire de la réaction naturelle au moyen d'un courant électrique qui apporte l'énergie nécessaire à la réaction.

Un électrolyseur est un dispositif consistant en une récipient contenant une solution ionique dans la quelle plongent deux électrodes.

Définition d'une électrolyse

Une électrolyse est une opération chimique dont le but est de décomposer différentes matières. Par exemple, lorsqu'une solution contient une matière, on va y ajouter un solvant afin que ses ions soit décomposables. On plonge alors ce mélange dans un bain auquel sont intégrés une anode et une cathode, faisant alors passer un courant dans le bain.

Comment réaliser un placage or ?
La plupart des bijoux avec un placage sont passés par le bain à électrolyse.

L'électrode

Les électrodes se polarisent dès que le courant passe :

  • L'anode est l'électrode par laquelle le courant arrive dans le système. Les électrons en sortent donc. Il y a oxydation du réducteur. Elle est reliée au pôle + du générateur.
  • La cathode est l'électrode par laquelle sort le courant c'est à dire par laquelle entrent les électrons. Il s'y produit. Elle est reliée au pôle - du générateur.

Contrairement aux piles vues dans le chapitre sur le potentiel standard, le dispositif d'électrolyse n'est pas polarisé par les couples rédox mais bien par le générateur branché à ses bornes.

L'électrolyte est le milieu conducteur, la solution ionique dans laquelle baignent les anions et les cations.
Les anions de l'électrolyte migrent vers l'électrode reliée au pôle + ( l'anode) et y subissent parfois une réaction d'oxydation.
Les cations de l'électrolyte migrent vers l'électrode reliée au pôle - ( c'est à dire la cathode)où ils peuvent subir une réduction.

Il peut enfin y avoir éventuellement oxydation ou réduction de l'eau (voir ci-dessous les couples rédox de l'eau).

Les participants potentiels aux échanges électroniques sont donc :

  • les ions positifs ou négatifs du bain électrolytique ;
  • Les molécules du solvant ;
  • Les matériaux constituant les électrodes.

Les électrons

Comment s'organisent les atomes et leur nuage électronique ?
Les électrons s'organisent en un nuage électronique autour du noyau positif de l'atome.

L'électron est donc l'un des composants de l'atome au même titre que les neutrons et protons. C'est une particule élémentaire que l'on note petit e et dont la charge élémentaire est de signe négatif. Ils s'organisent autour du noyau de l'atome dans ce que l'on appelle un nuage électronique.

Les électrons et leurs propriétés ont aidé à la compréhension d'une multitude de phénomènes physiques, notamment en termes de conductivité.

The best Physique - Chimie tutors available
1er cours offert !
Houssem
5
5 (105 reviews)
Houssem
70€
/h
1er cours offert !
Anis
4,9
4,9 (78 reviews)
Anis
80€
/h
1er cours offert !
Greg
5
5 (95 reviews)
Greg
120€
/h
1er cours offert !
Grégory
5
5 (83 reviews)
Grégory
105€
/h
1er cours offert !
Ahmed
4,9
4,9 (78 reviews)
Ahmed
40€
/h
1er cours offert !
Pierre-thomas
5
5 (40 reviews)
Pierre-thomas
80€
/h
1er cours offert !
Sébastien
5
5 (71 reviews)
Sébastien
60€
/h
1er cours offert !
Antoine
4,9
4,9 (73 reviews)
Antoine
60€
/h
1er cours offert !
Houssem
5
5 (105 reviews)
Houssem
70€
/h
1er cours offert !
Anis
4,9
4,9 (78 reviews)
Anis
80€
/h
1er cours offert !
Greg
5
5 (95 reviews)
Greg
120€
/h
1er cours offert !
Grégory
5
5 (83 reviews)
Grégory
105€
/h
1er cours offert !
Ahmed
4,9
4,9 (78 reviews)
Ahmed
40€
/h
1er cours offert !
Pierre-thomas
5
5 (40 reviews)
Pierre-thomas
80€
/h
1er cours offert !
Sébastien
5
5 (71 reviews)
Sébastien
60€
/h
1er cours offert !
Antoine
4,9
4,9 (73 reviews)
Antoine
60€
/h
First Lesson Free>

Les solides ioniques

Structures des cristaux ioniques

Les cristaux ioniques sont constitués d'anions et de cations tenus entre eux par l'attraction électrique.
Cette attraction est responsable de la structure géométrique qu'adopte les ions pour former un cristal. Un ion positif va s'entourer d'ions négatifs et réciproquement et de la même manière que les atomes ou molécules forment les solides, les ions forment les cristaux.

Dans un cristal de chlorure de sodium NaCl, les ions adoptent une structure cubique où un anion est entouré de 6 cations. Un cristal ionique est toujours électriquement neutre donc il y a autant de charges positives que négatives. Par conséquent, certains cristaux possèdent plus d'anions et de cations (ou inversement).

Cohésion des cristaux ioniques

La cohésion du cristal est due à l'interaction coulombienne : la force qui lie deux ions :

Les ions étant jointifs la distance qui les sépare correspond à la distance entre leur centre.

La valeur de cette force peut paraître faible (de l'ordre de 10-9 N) mais elle est bien plus importante par rapport au poids (10-25). A cette échelle, c'est la force électrique qui domine. La température de fusion des solides ioniques est assez élevé (801 °C) pour le sel, ce qui veut dire que les liaisons entre ions sont très solides.

Polarisation des molécules

Électronégativité des atomes

Selon leur configuration électronique, certains atomes capteront les électrons facilement alors que d'autres n'y arriveront pas. Par exemple, l'atome de fluor a pour configuration k2l7, il gagnera facilement un électron pour saturer la couche l.
La facilité des atomes a capté un électron s'appelle l'électronégativité. Dans le tableau périodique, les atomes les plus électronégatifs se trouvent en haut à droite.

Polarité d'une liaison chimique

Lorsque deux atomes sont liés chimiquement, c'est qu'ils mettent en commun deux électrons. Les deux électrons sont alors en orbite autour des deux noyaux, ils forment alors la liaison.
Dans le cas de deux atomes identiques, le doublet est également partagé et symétrique par rapport à l'axe de liaison.

Dans le cas où, les deux atomes sont différents, celui qui est le plus électronégatif attire plus fortement le doublet. Le nuage électronique est alors plus dense du côté de l'atome le plus électronégatif et crée une charge négative à cet endroit et positive sur l'autre atome.

Une telle molécule possède deux pôles électriques, on dit qu'elle est polarisée.

La conductivité thermique

Comment un radiateur chauffe-t-il une pièce ?
La chaleur se dirige toujours vers le froid afin de se mélanger et de tendre vers la neutralité.

La conduction correspond au transfert de chaleur direct entre des matières en contact. La conduction thermique est un terme spécifique aux solides. C’est un transfert thermique direct au sein d’un milieu matériel (par propagation de proche en proche).

Toute matière est composée d’atomes (qui font éventuellement partie de molécules) et ces atomes ne sont jamais totalement fixes : ils vibrent et ces vibrations peuvent se transmettre de proche en proche aux atomes voisins et c’est ce phénomène qui correspond à un transfert de chaleur par conduction.

La chaleur est ainsi transmise des particules les plus agitées (celles qui ont donc la température la plus élevée) vers les particules les moins agitées (celles qui ont la température la plus faible).

La conduction se définit par une transmission de chaleur de proche en proche dans un matériau comme le métal. En effet, les métaux sont de bons conducteurs de chaleur.

Les métaux peuvent être classés en fonction d’une caractéristique particulière : leur conductivité thermique.

C’est une grandeur qui caractérise l’aptitude d’un corps à conduire la chaleur. Plus elle est élevée et plus le matériau conduit la chaleur et donc moins il est isolant. En effet, les électrons de la matière communiquent leur agitation de proche en proche.

Cette caractéristique va de paire avec la conductivité électrique.

Le cuivre et l’aluminium sont des matériaux présentant une très forte conductivité thermique.

Le bois, le polystyrène ou  l’air sont des isolants. Les matériaux isolants permettent de limiter les déperditions de chaleur.

La conductivité électrique

La conductivité électrique d'un matériau est sa capacité à laisser se déplacer les charges électriques et donc les électrons en son sein.

Dissolution des électrolytes

On dissout une même quantité de quatre cristaux différents dans l'eau et on suit l'évolution de la température.
On remarque la dissolution s'accompagne parfois d'une hausse de température c'est à dire libération de chaleur, on nomme ce type de réaction exothermique.
Les réactions qui récupèrent la chaleur et font baisser la température se disent réaction endothermique.

La dissolution

La dissolution des électrolytes dans l'eau peut être décrite en trois étapes :

La dissociation

Lors de cette étape, les ions du cristal sont attirés par les molécules d'eau polaires et sont dispersées dans le volume de liquide. Le cristal se désagrège, il se dissout.

La solvatation

Par attraction électrostatique, les ions sont passés en solution s'entourent d'un 'bouclier' de molécules d'eau qui les pêchent de les rapprocher les uns aux autres.

La dispersion

Un fois solvatés, les ions circulent dans la solution et finissent par l'occuper.

Le processus de dissolution se traduit par une équation chimique qui s'écrit avec un seul réactif.

Concentration des espèces dissoutes

La concentration de soluté apportée est le rapport entre le nombre de mol de solutés et le volume de solution.


Lorsque ce soluté est dissout, il donne des ions en quantité différente par rapport à sa concentration. On doit distinguer la concentration c de soluté apportée et la concentration en espèce dissoute. On note cette dernière entre crochets.

Utilisations du bain à électrolyse

Comment protéger le fer ?
Le placage permet de renforcer le matériau en y ajoutant une couche d'un métal plus robuste.

Le placage

On utilise fréquemment l'électrolyse afin de réaliser des opérations de placage.

Ces procédés, connus sous les noms de dorure, argenture, nickelage, chromage, cadmiage, cuivrage, galvanoplastie ou autres consistent au recouvrement de certains objets par une couche de métal précieux comme cuivre ou de l'or par exemple.

Le fonctionnement est simple, on plonge l'objet dans un bain avec deux électrodes : une anode et une cathode. La cathode est connectée sur la pièce qui va recevoir le placage, l'anode est quand à elle reliée à du cuivre. En envoyant du courant, le cuivre va se déplacer sur l'objet. On peut réguler le placage avec différents facteurs comme la concentration ou la température qui rendront le placage plus rapide ou plus épais.

Need a Physique - Chimie teacher?

Vous avez aimé l’article ?

Aucune information ? Sérieusement ?Ok, nous tacherons de faire mieux pour le prochainLa moyenne, ouf ! Pas mieux ?Merci. Posez vos questions dans les commentaires.Un plaisir de vous aider ! :) 3,67/5 - 3 vote(s)
Loading...

Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.