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.

Les électrodes

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.

Dans un bac à électrolyse, le courant traverse le liquide ionique en allant de la borne positive, la cathode, à la borne négative, l'anode.

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

Couples rédox de l'eau

H2O peut subir une réduction à la cathode d'un électrolyseur.

  • En milieu acide, le couple mis en jeu est H+/H2O selon l'équation suivante : 2 H+ + 2 e-  → H 2
  • En milieu basique, le couple mis en jeu est H2O/H2 selon l'équation suivante : 2 H2 O + 2 e-  → H2 + 2 O H-

H2O peut subir une oxydation à l'anode de l'électrolyseur :

  • en milieu acide, le couple rédox mis en jeu est : O2/H2O selon l'équation suivante : H2 O →1/2 O2 + 2 H+ + 2 e-
  • en milieu basique, le couple mis en jeu est : O2/OH- selon l'équation suivante : 2 O H-→ 1/2 O2 + 2 H2 O + 2 e

Même si plusieurs espèces ioniques de chaque signe sont présentes dans la solution,

  • l'oxydant ayant le plus fort potentiel rédox est réduit à la cathode.
  • Le réducteur ayant le potentiel rédox le plus faible est oxydé à l'anode

On a donc une réaction qui est inverse à la règle du gamma.

Pour ce, il faut fournir une f.e.m. pour contrer celle qui se manifeste naturellement. En effet, les réactions de l'électrolyse allant dans le sens opposé au sens naturel, ses produits sont précisément les réactifs de la réaction naturelle. Il faut fournir une tension qui empêche cette dernière d'avoir lieu.
En effet, au fur et à mesure de la formation des produits par l'électrolyse, la réaction naturelle tend à les détruire et à créer une tension inverse à celle fournie. Il convient donc de l'éviter en fournissant une tension suffisante.

Ce schéma représente une anode dans un circuit électrique. Il s'agit de la borne négative.

La f.e.m. du générateur utilisé doit être supérieure à la f.e.m. de la pile qui serait montée à partir des deux couples rédox utilisés. Le générateur voit ses polarités inversées par rapport à ce que seraient celles de la pile créée à partir des deux piles. L'électrolyse se déroulera à partir d'une f.e.m. du générateur supérieure ou égale à la différence des potentiels des deux couples rédox.

ATTENTION : il arrive fréquemment que ces règles soient prises en défaut, notamment parce que les réactions théoriques sont des réactions lentes ou parce qu'elles demandent une surtension par rapport à celle prévue.
Ces différences peuvent s'expliquer :

  • les potentiels standards rédox utilisés dans les calculs sont différents des potentiels effectifs parce que l'expérience n'est pas réalisée dans les conditions standard.
  • La vitesse de certaines réactions chimiques d'oxydation ou de réduction notamment lors de dégagement gazeux est lente au niveau des électrodes. Il faut alors un apport d'énergie supplémentaire ou surtension.

Les accumulateurs

Un accumulateur est un dispositif électrochimique qui peut fonctionner comme :

  • un récepteur électrochimique lorsqu'il joue le rôle d'un électrolyseur. Il se charge grâce à l'énergie électrique apportée par un autre générateur.
  • un générateur électrochimique lorsqu'il fonctionne comme une pile simple ( c'est à dire dans le sens naturel de l'oxydoréduction ) : il se décharge.

Exemple d'un accumulateur-type : la pile Leclanché
Elle se compose :

  • d'une anode en zinc conducteur
  • d'une solution gélifiée de chlorure de zinc et de chlorure d'ammonium
  • d'une cathode constituée d'un bâton de graphite poreux entouré de dioxyde de manganèse, un oxydant non conducteur.

Elle se symbolise par.
Les réactions mises en jeu sont :
- à l'anode : Zn → Zn2+ + 2 e-

Les électrons libérés partent dans le circuit électrique.

Il faut noter qu'il y aura un dégagement gazeux de dihydrogène du aux ions H+. Ce dégagement est absorbé par le bâton de graphite.

Cette pile est dite irréversible parce qu'on ne peut pas provoquer les réactions inverses.

Qu'est-ce qu'un accumulateur ? Une batterie de voiture comme celle-ci est un accumulateur. Nous voyons de nombreux accumulateurs dans notre vie quotidienne sans même nous en rendre compte : les piles, batteries de voitures ou de téléphones portables sont des accumulateurs d'énergie.

La f.e.m. d'un générateur électrochimique est évidemment égale à celle de la pile qu'on composerait avec les deux couples en présence. Pour réaliser la charge, il faut fournir une tension supérieure à cette f.e.m. naturelle.

Normalement les accumulateurs sont réversibles : ils peuvent se comporter comme des récepteurs ou des générateurs. c'est par exemple le cas pour un accumulateur au plomb que l'on peut monter très simplement.

L'accumulateur au plomb
Il met enjeu les couples Pb2+/Pb et PbO2/Pb2+.

Les électrodes tendent à devenir symétriques à la fin de la décharge :
Il y a réduction cathodique sur la plaque positive
Le premier couple a un potentiel de -0, 13 V. Le second de +1, 45 V. La f.e.m. du générateur ainsi obtenu est de 1, 58 V.
L'équation bilan générale de la décharge est :.
On peut juxtaposer plusieurs accumulateurs de ce type et les placer en série pour obtenir une pile dotée d'une f.e.m. plus grande.

Méthodologie pour un exercice sur l'électrolyse

Pour étudier la formation ou la disparition d'une quantité de matière :

  • préciser le coupe rédox mis en jeu et écrire la demi-équation électronique correspondante.
  • En déduire s'il y a formation ou disparition de matière aux électrodes
  • Exprimer la relation entre quantité d'électricité Q qui circule et la quantité d'électrons échangés.
  • A l'aide de l'équation-bilan, déduire de ce qui précède la relation entre quantité de matière formée ou passée en solution, et quantité d'électricité qui circule.

Les difficultés de la leçon

  • toujours bien connaître les concepts
  • bien, identifier les couples et les réactifs mis en jeu dans l'électrolyse.
  • prendre en compte les valeurs ALGEBRIQUES dans le calcul des f.e.m.
  • bien distinguer les deux phases de l'accumulateur : charge ( identique à l'électrolyse) et décharge ( assimilée à la réaction rédox classique)

Le courant électrique

Histoire du courant

L'électricité est un phénomène naturel qui a commencé a être étudié dès le 16 ème siècle.

L'arrivée du courant alternatif date de 1882 en France par l'invention de l'ingénieur Lucien Gaulard : le transformateur. Cela créa une véritable révolution dans l'industrie de distribution d'électricité. Comme le courant alternatif présentait plus d'avantages, il a rapidement remplacé le courant continu.

Un transformateur est un appareil censé modifier la tension et l'intensité d'un courant délivré par une source d'énergie alternative sans en changer la fréquence ou la forme.

L'intensité du courant

L'intensité d'un courant électrique correspond à une des nombreuses grandeurs mesurables au sein des circuits électriques. Cette mesure permet alors de connaître le débit des charges électriques à travers une section du circuit étudié. L'intensité du courant électrique possède comme unité l'ampère qui est noté A. Cette unité tient son nom du célèbre physicien français André-Marie Ampère qui travaillera longuement et produira de nombreux travaux en rapport avec l'électricité.

L'intensité du courant électrique est la même dans tous les dipôles d'un circuit en série : c'est la loi d'unicité de l'intensité dans un circuit série.

L'intensité I du courant qui circule dans la branche principale est égale à la somme des intensités I1 et I2 qui circule dans les branches dérivées :

I = I1 + I2

Cette relation constitue la loi d'additivité des intensités des courants.

Comment mesurer l'intensité ? On utilise un ampèremètre afin de mesurer l'intensité d'un courant électrique. La plupart du temps, l'ampèremètre est inclus dans un multimètre qui remplit également d'autres fonctions telles qu’ohmmètre ou voltmètre. Un ampèremètre se branche toujours en série.

Le courant continu, noté CC en Français ou DC en Anglais, correspond a un courant électrique dont l'intensité reste indépendant du temps, on dit donc de celle-ci qu'elle est constante. C'est notamment le type de courant qui est délivré par les piles ou encore les accumulateurs.

On peut donc appeler courant continu tout courant périodique dont l'intensité reste toujours relativement proche de sa valeur moyenne ou encore un courant périodique dont la composante continue, c'est-à-dire sa valeur moyenne est d'importance primordiale. Il est également possible de nommer courant continu tout courant électrique qui circule de façon continue ou très majoritairement dans le même sens. On dit alors de ce courant qui est unidirectionnel.

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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.

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