L'électrolyse est très importante de nos jours, surtout pour les ressources concernant l'énergie et la fabrication de matériaux. Depuis les bases de l'électrolyse, comme l'hydrolyse de l'eau pour produire des gaz, jusqu'à l'électrolyse de divers sels fondus pour produire des métaux et la récupération de métaux précieux. Mais sais-tu comment nous utilisons l'électrolyse pour différentes applications ?
Dans ce résumé de cours, tu apprendras ce qu'est l'électrolyse et quelles sont ses utilisations. Plus important encore, tu vas acquérir une compréhension globale de la façon dont l'électrolyse est capable de nous aider dans des réactions qui ne sont pas thermodynamiquement possibles dans des conditions standards. Tu comprendras également comment l'électrolyse peut être appliquée pour de nombreuses utilisations industrielles.
- Définition de l'électrolyse.
- Les utilisations et les exemples de l'électrolyse, tels que l'électrolyse de l'eau.
- Comment les électrodes agissent dans l'électrolyse ?
- Comment installer une cellule électrolytique pour des expériences ?
- Te familiariser avec un diagramme expliquant le fonctionnement des différents composants d'une cellule électrolytique.
Quelle est la définition de l'électrolyse ?
L'électrolyse est une réaction électrochimique qui permet de réaliser des réactions non spontanées grâce à l'apport d'énergie sous forme d'électricité.
L'électrolyse est l'un des deux environnements de cellule électrochimique qui peuvent être produits.
Les cellules électrochimiques peuvent être divisées en cellules voltaïques (galvaniques) et en cellules électrochimiques. Consulte notre résumé sur l'électrochimie.
L'électrolyse, dans sa forme la plus simple, est une réaction redox qui est contrôlée.
Les réactions rédox sont des réactions chimiques qui impliquent une réduction et une oxydation. Dans le contexte des électrons, la réduction est le gain d'électrons, tandis que l'oxydation est la perte d'électrons.
La réduction et l'oxydation se produisent toujours simultanément dans un système et la séparation des deux demi-réactions nous aidera à créer une réaction d'oxydoréduction contrôlée pour les réactions électrochimiques, telles que l'électrolyse.
L'électrolyse exploite une réaction d'oxydoréduction non spontanée. Cela signifie qu'en général, il s'agit d'une réaction qui ne se produit pas ou ne fabrique pas de produits à partir des réactifs, dans des conditions standards. Par conséquent, nous devons modifier les conditions d'une manière ou d'une autre pour permettre à la réaction de se dérouler dans la direction souhaitée. C'est là que l'électricité peut s'avérer utile.
Pourquoi certaines réactions ne sont-elles pas spontanées ? Cela dépend souvent des niveaux d'énergie des réactifs et des produits, ainsi que de la quantité d'énergie présente dans le système global. Pour surmonter une barrière énergétique présente dans certaines réactions, nous devons apporter de l'énergie supplémentaire. Dans l'électrolyse, cette énergie se présente sous la forme d'un courant (électricité).
Si tu divises une certaine réaction d'oxydoréduction en ses deux demi-réactions, comme les réactions d'oxydation et de réduction qui composent la réaction complète, tu peux les contrôler grâce à des électrodes. L'application d'un courant aux électrodes, qui créera un circuit dans la cellule d'électrolyse, permettra à la réaction de se produire. En effet, il y aura un flux d'électrons de l'électrode qui facilite l'oxydation à celle qui facilite la demi-réaction de réduction.
La création d'un circuit complet est essentielle pour les réactions d'électrolyse, car elle permet le transfert des électrons. Ceci est facilité par le fait que la cellule d'électrolyse est constituée d'un seul bécher, ce qui permet la mobilité des ions en solution entre les deux électrodes.
Dans l'électrolyse, l'électrode qui favorise la réaction d'oxydation est l'électrode positive (l'anode), tandis que l'électrode qui favorise la réaction de réduction est l'électrode négative (la cathode).
Quel est le principe d'électrolyse ?
Nous allons explorer ici ce à quoi pourrait ressembler un schéma généralisé pour une réaction d'électrolyse. N'oublie pas qu'il existe de nombreux types de réactions d'électrolyse, ce qui signifie que le schéma général de ton installation expérimentale peut différer de celui décrit ici.
Cellule d'électrolyse
Les cellules électrolytiques ou d'électrolyse sont des cellules électrochimiques qui peuvent être utilisées pour l'électrolyse de certains composés. Par exemple, l'eau peut être soumise à une électrolyse à l'aide d'une cellule électrolytique pour former de l'oxygène gazeux et de l'hydrogène gazeux. Cela se fait en utilisant le flux d'électrons dans l'environnement de réaction pour surmonter la barrière d'énergie d'activation de la réaction redox non spontanée .
Tu trouveras ci-dessous le schéma d'une cellule électrolytique.
Fig. 1-Diagramme d'électrolyse, chemistrylearner.comJette un coup d'œil au diagramme ci-dessus. Que vois-tu ?
Les éléments les plus marquants du schéma sont les deux électrodes qui sont reliées par un circuit externe, le tout dans un seul bécher. Les deux électrodes permettent de diviser la réaction d'oxydoréduction en ses demi-réactions substitutives, l'oxydation et la réduction qui se produisent dans une réaction.
En général, les électrodes que tu rencontreras pour les cellules électrolytiques seront des électrodes inertes. Les électrodes inertes permettent à la réaction de se dérouler mais n'interfèrent pas chimiquement avec la réaction.
Les types d'électrodes inertes les plus courants sont les électrodes en platine ou les électrodes en graphite, mais il existe de nombreuses électrodes différentes qui peuvent être utilisées pour les réactions d'électrolyse en fonction du contexte de la réaction que tu essaies de réaliser.
Les électrodes sont appelées la cathode et l'anode. L'oxydation se produit à l'anode, tandis que la réduction se produit à la cathode.
Les deux électrodes sont reliées par un circuit externe qui dispose d'une source d'énergie. Dans le schéma, celle-ci est représentée par une batterie. Cette pile va produire un courant qui sera appliqué à la réaction. Cela permettra de faire avancer la réaction.
Un autre composant essentiel est la solution, représentée sur le schéma. Le diagramme montre l'électrolyse d'un sel aqueux. Toutes les réactions électrolytiques n'en ont pas besoin, car certaines n'ont pas de solution aqueuse, mais toutes les cellules électrolytiques ont une solution en phase liquide. Cela permet de faciliter la mobilité des ions entre les électrodes, et donc l'achèvement du circuit.
En outre, certaines installations d'électrolyse comportent des flacons renversés au-dessus de chaque électrode. Cela permet de recueillir les gaz produits lors de la réaction. Les gaz sont souvent un produit clé de l'électrolyse.
Fig. 2-Photo d'une installation d'électrolyse où des gaz sont dégagés.
Utilisations et exemples d'électrolyse
Nous allons décrire ici les différents types de réactions d'électrolyse et la manière dont elles peuvent être utilisées à différentes fins.
Tout d'abord, tu peux réaliser l'électrolyse de composés ioniques aqueux pour évacuer des gaz ou des solides. Cela dépendra du type de sel que tu utilises et de sa concentration dans la solution. Plus tard, nous aborderons l'électrolyse de l'eau. Comme l'électrolyse vise également les espèces présentes dans l'eau, telles que les ions hydroxydes négatifs et les ions H+ positifs, elles peuvent également être déchargées. Dans ce cas, il est possible de décharger des espèces préférentiellement différentes à des fins différentes. Tu peux l'utiliser pour créer des réactifs et des gaz spécifiques à usage industriel et technologique.
Deuxièmement, tu peux effectuer l'électrolyse de composés ioniques fondus. Cela signifie que le composé ionique n'est pas dissous dans l'eau. Cela signifie que l'électrolyse sera réalisée sur les anions et les cations purs du sel que tu utilises, produisant ainsi le métal respectif à partir du cation et le gaz à partir de l'anion. Cette méthode est souvent utilisée pour la production de métaux à partir de minerais bruts. Le raffinage des métaux est une étape clé de la fabrication des technologies.
C'est en fait comme ça qu'on fabrique l'aluminium ! L'aluminium, qui est un métal si important pour notre vie quotidienne, est fabriqué par électrolyse ionique fondue.
Le sel en question est l'alumine, \( Al_{2}O_{3} \) . Lorsque l'on procède à l'électrolyse de ce sel fondu, on obtient de l'aluminium. Ce procédé est souvent appelé le procédé Hall-Héroult.
Troisièmement, tu peux utiliser l'électrolyse pour galvaniser des objets. L'électroplacage est la procédure par laquelle des objets métalliques peuvent acquérir un film très fin d'une autre substance métallique. Ce procédé est surtout utilisé pour créer une fine pellicule d'un métal précieux sur un objet en métal moins précieux. Dans ce cas, l'objet métallique que tu souhaites électrodéposer agira comme une électrode dans la cellule, plus précisément comme la cathode. La solution sera composée d'un sel soluble du métal précieux, qu'il s'agisse d'or ou d'argent par exemple, et après avoir appliqué un courant à la cellule, les cations pourront être réduits sur l'objet faisant office de cathode. De cette manière, on peut voir que de nombreux objets métalliques sont dorés ou argentés.
Qu'est-ce que l'électrolyse de l'eau ?
Que se passe-t-il si tu effectues une électrolyse de l'eau ? L'électrolyse de l'eau produit de l'oxygène et de l'hydrogène à partir des molécules d'eau.
Il est essentiel de mentionner que l'eau subit une auto-ionisation.
L'auto-ionisation signifie qu'un composé réagit avec lui-même (dans une réaction d'équilibre) pour former des ions.
Tu trouveras ci-dessous l'équation de l'auto-ionisation de l'eau :
$$ 2H_{2}O \rightleftharpoons H_{3}O^{+} + OH^{-} $$
Cette réaction est importante car l'eau la subit spontanément, et la production d'ions, notamment d'ions hydroxyde, est très importante pour les réactions d'oxydoréduction en électrochimie. En particulier, la décharge d'oxygène qui se produit à l'anode.
Nous allons examiner ici les deux réactions qui se produisent à chaque électrode pendant l'électrolyse de l'eau pour découvrir comment la division d'une molécule d'eau par un courant peut aboutir à la production d'oxygène et d'hydrogène.
À l'anode, l'électrode positive où se produit l'oxydation, la réaction suivante a lieu :
\( 4OH^- _{(aq)} \rightarrow 2H_2O_{(l)}+O_2(g)+\ 4e^- \)
Pendant ce temps, à la cathode, l'électrode négative où se produit la réduction, la réaction suivante a lieu :
\( 4H^+ _{(aq)}+4e^- \rightarrow 2H_2(g) \)
En mettant les deux réactions ensemble, la réaction globale de l'électrolyse de l'eau est la suivante :
\( 2H_2O_{(l)} \rightarrow 2H_2{(g)}+O_2(g) \)
Dans cette réaction, l'eau sous forme liquide est divisée pour produire des gaz d'oxygène et d'hydrogène. Cette réaction permet de dégager ces gaz à partir de l'eau simple, qui peut ensuite être utilisée à d'autres fins industrielles.
Tu peux voir ci-dessous un schéma du montage expérimental utilisé pour l'électrolyse de l'eau. Remarque les demi-réactions qui se produisent à chaque électrode, ainsi que les gaz qui sont dégagés.
Fig. 3-Montage de l'électrolyse de l'eau3.
Électrolyse : Hydrogène
L'électrolyse est une option prometteuse pour la production d'hydrogène à partir de ressources renouvelables et nucléaires. L'électrolyse consiste à utiliser l'électricité pour séparer l'eau en hydrogène et en oxygène. Cette réaction a lieu dans une unité appelée électrolyseur. La taille des électrolyseurs peut varier, allant d'un petit équipement de la taille d'un appareil ménager, bien adapté à la production d'hydrogène distribuée à petite échelle, à des installations de production centrales à grande échelle qui pourraient être directement reliées à des sources d'énergie renouvelables ou à d'autres formes de production d'électricité n'émettant pas de gaz à effet de serre.
Expérience d'électrolyse
Comment préparer et réaliser ton expérience d'électrolyse ?
Tu peux suivre le schéma ci-dessus pour recréer la cellule électrolytique. Voici les éléments essentiels dont tu as besoin :
- Un grand bécher ;
- Deux électrodes inertes (ou les électrodes dont tu as besoin pour ta réaction) ;
- Un fil pour le circuit externe ;
- Une source d'énergie telle qu'une batterie ;
- Facultatif : deux flacons pour recueillir les gaz dégagés.
Grâce à ce montage expérimental, qui peut être modifié en fonction de ton expérience, tu peux réaliser n'importe quelle réaction d'électrolyse. Ici, certaines choses qui ne sont pas mentionnées sont les réactifs que tu vas y mettre. Tu devras déterminer toi-même la stœchiométrie des réactifs, et déterminer si l'électrolyse est réalisée dans un environnement aqueux ou à l'état fondu du sel ionique.
Savais-tu que les scientifiques ont trouvé un moyen de faire de l'électrolyse dans des solvants organiques ?
L'électrolyse peut être réalisée sur des solutions inorganiques avec des sels tels que le PBAPF6 ou le bromure de tétra butyl ammonium ! Cela dépendra de la conductivité des solutions utilisées pour les réactions.
Certaines expériences que tu peux réaliser pour étudier les différentes propriétés de l'électrolyse peuvent être, par exemple, l'électrodéposition d'objets en fonction du courant et du temps. En changeant les variables de temps et de courant appliqué, différents types de plaques se formeront sur l'objet métallique, comme des plaques plus épaisses ou plus fines.
Une autre expérience que tu peux réaliser est basée sur l'électrolyse de composés ioniques aqueux, où tu peux étudier l'importance de la concentration pour l'électrolyse. La concentration fait que différentes espèces sont préférentiellement déchargées à chaque électrode. L'étude du seuil de chaque sel peut donc être une expérience intéressante.
Électrolyse - Points clés
- L'électrolyse permet de réaliser des réactions non spontanées en fournissant de l'énergie au système.
- L'énergie est fournie sous la forme d'une batterie externe et d'un courant.
- À chaque électrode, la demi-réaction d'oxydation ou de réduction a lieu
- L'anode est le site d'oxydation
- La cathode est le lieu de la réduction
- L'électrolyse peut être réalisée sur des réactifs composés ioniques fondus ou aqueux.
- Parmi les utilisations courantes de l'électrolyse, citons le raffinage des métaux, la production de gaz et la galvanoplastie.
- L'électrolyse de l'eau produit de l'oxygène et de l'hydrogène.
- L'électrolyse est utilisée pour la production d'hydrogène à partir de ressources renouvelables et nucléaires.
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