Électrolyse

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Tests
Qui n'a jamais réalisé d'électrolyse dans sa vie ? Le cyclomoteur, la voiture, un baladeur ou un téléphone portable contiennent des accumulateurs qui sont tous rechargés par électrolyse. Mais comment peut-on contraindre un système chimique à fonctionner dans le sens inverse du sens spontané ? Quelles sont les différentes applications de l'électrolyse ? Comment prévoir les quantités de matière produites ?
1. Qu'est-ce qu'une transformation forcée ?
• Au cours d'une transformation forcée, un système chimique ne respecte pas le critère d'évolution spontanée ; le quotient de réaction s'éloigne de la constante d'équilibre.
Par exemple, le dioxygène réagit spontanément avec le dihydrogène pour donner de l'eau selon la réaction : 2{\mathrm{H}}_{2\mathrm{(g)}}+\mathrm{O}_{2\mathrm{(g)}}\rightarrow{2\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}_{\mathrm{(1)}}.
L'électrolyse de l'acide sulfurique permet de réaliser la transformation inverse nommée « électrolyse de l'eau » : 2{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}_{\mathrm{(1)}}\rightarrow{2\mathrm{H}}_{2\mathrm{(g)}}+\mathrm{O}_{2\mathrm{(g)}}.
• Pour réaliser une réaction forcée dans le sens opposé à son sens d'évolution spontanée, Michael Faraday a montré qu'il fallait utiliser un générateur électrique délivrant une tension suffisante pour faire passer un courant.
Un électrolyseur permet en effet de réaliser des transformations forcées par transformation d'énergie électrique en énergie chimique.
Test n°1
2. Comment schématiser un électrolyseur  ?
• Un électrolyseur est constitué d'une cuve contenant deux électrodes métalliques reliées à un générateur qui impose le sens de passage du courant.
Par exemple, l'électrolyse d'une solution de sulfate de zinc se schématise ainsi :
• L'électrode où arrive le courant issu du générateur est l'anode.
• L'électrode où arrivent les électrons issus du générateur est la cathode.
Test n°2Test n°3Test n°4
3. Quelles transformations ont lieu dans un électrolyseur  ? Comment en déduire les variations de quantités de matière  ?
• Il se produit une réaction d'oxydation à l'anode et une réaction de réduction à la cathode.
Par exemple, lors de l'électrolyse de la solution de sulfate de cuivre dans la cuve du schéma précédent, on a une oxydation du cuivre à l'anode : \mathrm{Cu}_{\mathrm{(s)}}=\mathrm{Cu}^{2+}_{\mathrm{(aq)}}+2.\mathrm{e}^{-}
et une réduction du zinc à la cathode :
\mathrm{Zn}^{2+}_{\mathrm{(aq)}}+2.\mathrm{e}^{-}=\mathrm{Zn}_{\mathrm{(s)}}.
• Si I est un courant constant, en ampère (A), alors la quantité d'électricité Q, en coulomb (C), qui traverse un électrolyseur, est donnée par la relation : Q = I.t, dans laquelle t, en seconde (s), représente la durée de l'électrolyse.
• Le faraday représente la valeur absolue de la quantité d'électricité contenue dans une mole d'électrons ; il équivaut approximativement à 96 500 coulombs. La quantité ne d'électrons, en mole (mol), ayant circulé dans un électrolyseur traversé par un courant constant I, en ampère (A), pendant une durée t, en seconde (s), est donnée par la relation : n_\mathrm{e}=\frac{Q}{F}=\frac{I.t}{F}.
• On utilise ensuite les équations d'oxydo-réduction pour déterminer les variations des quantités de matière.
Par exemple, lors de l'électrolyse de la solution de sulfate de zinc dans la cuve du schéma précédent, l'expression de la quantité de zinc déposée à la cathode après le passage d'un courant d'intensité I, pendant une durée t, est : n_\mathrm{Zn}=\frac{n_\mathrm{e}}{2}=\frac{I.t}{2.F}.
Test n°5Test n°6
4. Quelles sont les principales applications de l'électrolyse  ?
• Un accumulateur est capable de fonctionner en pile lors de sa décharge et en électrolyseur lors de sa charge.
Par exemple, la batterie d'une voiture se recharge quand le véhicule roule, grâce à l'alternateur.
• La galanostégie consiste à recouvrir une pièce métallique pour la protéger contre la corrosion ou pour l'embellir.
C'est le principe utilisé, par exemple, pour obtenir la collection de pièces chromées des célèbres Harley Davidson.
• L'électrolyse à anode soluble permet de purifier les métaux.
Par exemple, on purifie le cuivre par électrolyse à anode soluble.
Test n°7Test n°8
À retenir
• Un électrolyseur permet de réaliser des transformations forcées par transformation d'énergie électrique en énergie chimique.
• Il se produit une réaction d'oxydation à l'anode (reliée au pôle + du générateur) et une réaction de réduction à la cathode (reliée au pôle − du générateur).
• Si I est un courant constant, la quantité d'électricité qui traverse un électrolyseur est donnée par la relation Q  =  I.t, dans laquelle t représente la durée de l'électrolyse.
Elle est reliée au nombre de moles d'électrons, n e , ayant circulé dans l'électrolyseur par la relation Q  =  n e.F, où F représente le faraday.
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