Les batteries font aujourd'hui tout simplement partie de la vie des gens. Pour que les appareils électroniques portables soient suffisamment alimentés, les dispositifs de stockage d'énergie, généralement installés à demeure, doivent être rechargés en permanence avec de l'électricité fraîche.
Le chargement et le déchargement d'une batterie créent des réactions d'oxydoréduction. Lors de la décharge, la batterie lithium-ion de ton téléphone portable présente une puissance suffisante pour être alimenté de manière optimale tout au long de la journée. La réaction chimique se déroule dans le sens de la décharge. Lorsque la batterie est vide, tu la recharges et inverses cette réaction, permettant ainsi aux produits chimiques de se régénérer. Elle se comporte comme un électrolyseur.
Mais qu'est-ce qu'un électrolyseur ? Grâce à nous, tu sauras tout sur les électrolyseurs à temps pour que tu puisses les reconnaître.
- Ce résumé de cours porte sur l'électrolyseur.
- Tout d'abord, nous allons définir l'électrolyse.
- Nous examinerons ensuite la construction de l'électrolyseur et ses électrodes.
- Nous explorerons le processus chimique de l'électrolyse.
- Ensuite, nous explorerons la réaction d'oxydoréduction.
- Nous verrons l'électrolyse de l'eau et l'intérêt de la production du dihydrogène.
- Enfin, nous présenterons l'électrolyseur piscine.
Qu'est-ce que l'électrolyse ?
L'électrolyse est un procédé chimique qui utilise un courant électrique pour forcer une réaction d'oxydoréduction. Dans ce cas, l'énergie électrique devient de l'énergie chimique.
L'énergie chimique peut donc être générée par l'électrolyse. Ceci est particulièrement utile lorsque l'énergie doit être stockée pour plus tard, comme c'est le cas avec les batteries rechargeables. On peut également l'utiliser pour récupérer et purifier des substances chimiques telles que l'aluminium. Mais on peut aussi l'utiliser pour diviser l'eau en hydrogène et en oxygène.
La construction de l'électrolyseur
L'électrolyseur (ou une cellule électrolytique ) est un appareil qui sert à effectuer une électrolyse pour décomposer chimiquement certains corps composés sous l'effet d'un courant électrique.
Fig.1- Électrolyseur
L'électrolyse peut également être décrite comme l'inverse d'une pile électrochimique. La structure d'une cellule électrolytique est donc très similaire à celle d'une cellule galvanique.
Tu peux te rappeler pour le moment que les cellules galvaniques produisent de l'électricité en consommant de l'énergie chimique et en la convertissant en énergie électrique. Les cellules électrolytiques, quant à elles, doivent être alimentées en électricité afin de pouvoir la stocker sous forme d'énergie chimique.
Si tu souhaites en savoir plus sur la pile électrochimique, consulte le résumé de cours correspondant.
Électrodes
Une cellule électrolytique se compose de deux électrodes reliées à une source d'énergie. Les deux réactions partielles de l'écoulement à ces électrodes rédox. Elles sont constituées de conducteurs électriques tels que des métaux ou du graphite.
On peut aussi appeler anode l'électrode reliée au pôle positif de la source d'énergie. La cathode est placée sur le côté opposé, qui est relié au pôle négatif de la source d'énergie. Les deux électrodes se trouvent dans un bassin rempli d'un électrolyte. L'électrolyte est une solution conductrice contenant des ions qui peuvent être réduits ou oxydés.
Électrolyseur : réaction d'oxydoréduction
Pour que l'électrolyse ait lieu, tu appliques un courant continu aux deux électrodes à l'aide d'une source d'énergie. De cette manière, les électrons circulent de l'anode vers la cathode et s'y accumulent. Cela crée un excès d'électrons à la cathode et un manque d'électrons à l'anode.
Le courant électrique est créé lorsque des porteurs de charge tels que des ions, des électrons ou des protons se déplacent dans une direction spécifique. Imagine que cette direction de déplacement reste constante au cours du temps, de sorte que les particules se déplacent constamment dans la même direction. On appelle ce type de courant le courant continu.
Contrairement au courant continu, les particules du courant dit alternatif se déplacent alternativement dans la direction opposée.
Les électrons en excès à la cathode piègent et réduisent les ions chargés positivement à proximité (à l'électrode ou dans la solution). C'est exactement le contraire qui se produit de l'autre côté :
- Les électrons des anions chargés négativement sont absorbés par l'anode. Les anions sont oxydés au cours du processus.
- Les électrons obtenus sont ensuite transportés par la source d'énergie vers la cathode, qui ferme le circuit.
Une réaction d'oxydoréduction se compose de deux sous-étapes : la réduction et l'oxydation. Les électrons sont gagnés pendant la réduction et libérés durant l'oxydation.
Si tu veux en savoir plus, consulte le résumé de la réaction d'oxydoréduction.
Pour que l'électrolyse ait lieu, une tension minimale doit être atteinte, également appelée tension de décomposition.
L'électrolyse de l'eau
L'électrolyse de l'eau permet de séparer l'hydrogène et l'oxygène. Ce procédé est particulièrement apprécié pour la production d'hydrogène. Mais il existe également un exemple tiré du monde végétal : Pendant la photosynthèse, les plantes produisent de l'oxygène frais par électrolyse.
Équation de la réaction d'électrolyse
Dans cet exemple, l'eau \( H_2O \) constitue l'électrolyte. Lorsque le courant continu est appliqué, l'eau est divisée en hydrogène \( H_2 \) et en oxygène \( O_2 \) :
$$ 2H_2O \xrightarrow {Catalyseur} 2H_2 + O_2 $$
Au cours de cette réaction, une molécule d'eau est oxydée et l'autre est réduite. Cela fonctionne si bien que l'eau se décompose d'elle-même en ions hydroxyde \( OH^- \) et en ions oxonium \( H_3O^+ \) grâce à l'autoprotolyse. La réaction d'équilibre correspondante ressemble à ceci :
$$ 2H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + HO^- $$
Les ions résultants forment alors la solution d'électrolyte et peuvent se déplacer librement. Selon la charge, les ions oxonium migrent maintenant vers la cathode, où ils prennent chacun un électron, ce qui équivaut à une réduction. Cela produit à nouveau de l'eau \( H_2O \) et, avec un autre atome d'hydrogène réduit de l'hydrogène moléculaire \( H_2 \) .
Les ions hydroxyde \( OH^- \) se rassemblent à l'anode et cèdent des électrons (il s'agit d'une oxydation ). L'oxygène moléculaire \( O_2 \) et l'eau se forment à nouveau à partir de plusieurs ions hydroxyde. Tu peux écrire les réactions individuelles de la manière suivante :
| Réaction partielle | Équation de la réaction |
Équilibre de l'eau | $$ 8H_2O \rightleftarrows 4H_3O^+ + 4HO^- $$ |
Réaction de la cathode | $$ 4H_3O^+ 4e^- \rightarrow 2H_2 + 4H_2O $$ |
| Réaction anodique | $$ 4OH^- \rightarrow O_2 + 2H_2O + 4e^- $$ |
| Équation totale | $$ 8H_2O + 4H_3O^+ 4e^- 4OH^- \rightarrow 4H_3O^+ + 4OH^- + 2H_2 + 6H_2O + O_2 + 4e^- $$ |
| Abrégé | $$ 2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2 $$ |
Électrolyseur : Dihydrogène
Sur terre, le dihydrogène n'existe pas à l'état pur. L’atome d'hydrogène est toujours combiné à d'autres éléments, principalement à des atomes de carbone, d'oxygène et d'azote. Mais l'hydrogène pur ou plus exactement le dihydrogène peut être produit par plusieurs méthodes.
Prenons l'exemple de l'électrolyse de l'eau.
Pour cela, il nous faut de l'énergie, dans notre cas de l'électricité et une source d'hydrogène : l'eau.
L’électrolyse de l'eau consiste à briser la molécule d'eau. Dans une molécule d'eau \( H_2O \) , il y a deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Lorsque nous brisons les liaisons chimiques de cette molécule, grâce à un courant électrique, nous récupérons deux atomes d'hydrogène pour former du dihydrogène.
Pour fabriquer ce dihydrogène, on utilise un appareil appelé électrolyseur qui est composé de plusieurs cellules.
Celles-ci sont constituées d'une membrane, au centre entourée de deux électrodes. Il y a l'anode et la cathode. Elles sont elles-mêmes en contact avec des plaques bipolaires. Les plaques bipolaires en contact avec l'anode sont alimentées en eau. Ici, les molécules d'eau sont soumises à un potentiel électrique qui va déstabiliser les liaisons chimiques entre les atomes d'hydrogène et d'oxygène de la molécule d'eau. En conséquence, les molécules d'eau se cassent et libèrent des atomes d'oxygène, des protons et des électrons. Cette perte d'électrons est appelée "oxydation".
Puis les atomes d'oxygène se combinent deux par deux pour former du dioxygène.
La membrane au centre bloque le passage des électrons. On dit qu'elle agit comme un électrolyte.
En revanche, elle laisse passer les protons et les transporte vers la cathode. Ces protons cherchent à récupérer un électron. Ils s'associent à ceux émis par le courant. Ce gain d'électrons est appelé réduction. Ils forment des atomes d'hydrogène, qui deux par deux forment du dihydrogène.
En résumé, à la cathode, on présentera du dihydrogène et à l'anode du dioxygène.
Utilisation du dihydrogène
Le dihydrogène est utilisé dans une pile à combustible. Il s'agit d'un générateur d'électricité qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique.
Électrolyseur piscine
Toutes les piscines présentent un système de filtration afin de disposer d'un système de désinfection pour éviter la prolifération de bactéries, d'algues et de micro-organismes dans l'eau afin de maintenir l'eau et les autres composants de la piscine désinfectés.
Une façon plus naturelle d'obtenir du chlore est le système d'électrolyse du sel qui génère le chlore directement à la piscine en utilisant du sel.
Lorsque nous installons le système de chlore par électrolyse au sel, nous devons ajouter entre \( 3,5 \) et \( 5 \) grammes de sel par litre d'eau à notre piscine. Le fonctionnement de cet équipement utilise un électrolyseur pour séparer les molécules de sel dissoutes dans l'eau. Lorsque l'eau légèrement salée passe à travers la cellule, elle sépare le chlore du sodium \( NaCl \) qui, ensemble, forment le sel, faisant du chlore un désinfectant naturel.
Schéma électrolyseur - Points clés
- Dans l'électrolyse, un courant électrique crée une réaction d'oxydoréduction.
- Cela signifie qu'il est utilisé pour déplacer des électrons à l'aide de l'électricité.
- L'électrolyse peut être considérée comme l'inverse de la pile électrochimique.
- L'électrolyse a lieu, par exemple, dans les batteries, les accumulateurs ou les piles à combustible.
- Mais elle peut aussi être utilisée pour l'extraction ou la purification des métaux.
- Les anions sont oxydés à l'anode et les anions réduits à la cathode.
- Pour que l'électrolyse ait lieu, la tension de décomposition doit être dépassée.
- Pour fabriquer ce dihydrogène, on utilise un appareil appelé électrolyseur qui est composé de plusieurs cellules. Celles-ci sont constituées d'une membrane, au centre entourée de deux électrodes.
- Un électrolyseur piscine est un système de désinfection qui génère le chlore directement à la piscine en utilisant du sel.
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Questions fréquemment posées en électrolyseur
Quel est le principe de l'électrolyse ?
Le principe de l'électrolyse est de convertir l'énergie électrique en énergie chimique.
Quelle tension faut-il utiliser pour l'électrolyse ?
Pour que l'électrolyse fonctionne, il est nécessaire de fixer un minimum de tension de 1,23 V.
Quel est le rôle d'un électrolyseur ?
L'électrolyseur est un appareil qui sert à effectuer une électrolyse pour décomposer chimiquement certains corps composés sous l'effet d'un courant électrique.
Il doit être alimenté en électricité afin de pouvoir la stocker sous forme d'énergie chimique.
Comment réaliser l'électrolyse de l'eau ?
Pour réaliser l'électrolyse de l'eau, il est nécessaire de plonger les deux extrémités d'un circuit électrique et de récupérer les gaz qui s'échappent à proximité des connexions.
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