Électrolyse

L'électrolyse est une méthode qui sert à réaliser des réactions chimiques grâce à une activation électrique. C'est le processus de conversion de l'énergie électrique en énergie chimique.



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  • Les ions sodium, oxydant du couple Na+ / Na et l'eau, oxydant du couple H2O / H2.... Le cuivre est purifié par électrolyse à anode soluble.... (source : )
Représentation symbolique d'un électrolyseur dans un circuit

L'électrolyse est une méthode qui sert à réaliser des réactions chimiques grâce à une activation électrique. C'est le processus de conversion de l'énergie électrique en énergie chimique. Elle permet d'autre part, dans l'industrie chimique, la séparation d'éléments ou la synthèse de composés chimiques. La première électrolyse (électrolyse de l'eau) a été réalisée le 2 mai 1800 par deux chimistes britanniques, William Nicholson (1753-1815) et Sir Anthony Carlisle (1768-1842), quelques jours après l'invention de la première pile électrique (publication soumise le 20 mars 1800 dans une lettre en français au président de la Royal Society, Joseph Banks) par Alessandro Volta et grâce à celle-ci.

Principe

Schémas de la synthèse d'hydrogène et d'oxygène par électrolyse de l'eau

La matière à décomposer ou à transférer est dissoute dans un solvant approprié, ou fondue de sorte que ses ions constitutifs soient disponibles dans la solution.

\mathrm{Feˆ{2+}_{aq} \longrightarrow  \ Feˆ{3+}_{aq} +  \ eˆ- }

ou de diminuer des anions à la cathode, par exemple hexacyanoferrate (III) donne hexacyanoferrate (II)  :

\mathrm{Fe(CN)_6ˆ{3-} + \ eˆ-  \longrightarrow  \ Fe(CN)_6ˆ{4-} }.

De même, des molécules neutres peuvent réagir aux électrodes; par exemple la para-quinone est réduite en para-dihydroquinone :

P-Benzochinon.svg \mathrm{+ \ 2 eˆ- + \ 2 Hˆ+   \longrightarrow  \  } Hydroquinone.svg

Cela est envisageable car le transport des espèces à l'électrode peut se faire par trois mécanismes différents : par migration qui entraine le déplacement des espèces chimiques chargées (ions) dans le champ électrique au sein de la cellule d'électrolyse, par diffusion qui concerne l'ensemble des espèces chimiques pour lequel il existe un gradient de concentration et par convection naturelle ou forcée selon que l'agitation de la solution est due à l'agitation thermique ou à une agitation mécanique.

Applications

Production de dihydrogène par électrolyse de l'eau

Article détaillé : Électrolyse de l'eau.
Schéma du voltamètre d'Hoffmann utilisé pour l'électrolyse de l'eau.

L'électrolyse est parfois utilisée pour décomposer l'eau (H2O) en dihydrogène (H2) et en dioxygène (O2).

Réactions :

\begin{matrix} & \\ 2\,\mbox{H}_2\mbox{O (liquide)}& \overrightarrow{\qquad} & \mbox{O}_2 \mbox{ (gaz)} + 4\,\mbox{H}ˆ+\mbox{ (aqueux)} + 4\,eˆ-\   \\\end{matrix}
\begin{matrix} & \\ 4\,\mbox{H}_2\mbox{O (liquide)} + 4\,eˆ-\overrightarrow{\qquad} & 2\,\mbox{H}_2 \mbox{ (gaz)} + 4\,\mbox{OH}ˆ-\mbox{ (aqueux)} \   \\\end{matrix}
\begin{matrix} & \\ 2\,\mbox{H}_2\mbox{O (liquide)}\overrightarrow{\qquad} & 2\,\mbox{H}_2 \mbox{ (gaz)} + \mbox{O}_2\mbox{ (gaz)} \   \\\end{matrix}

Néanmoins, si cette méthode est efficace (rendement Faraday de 90 % en solution alcaline), elle n'est pas la moins chère pour produire du dioxygène et du dihydrogène industriellement. On préfère fréquemment extraire le dioxygène de l'air, et le dihydrogène par reconstituage du méthane : CH4. Mais au contraire de l'électrolyse, cette méthode produit aussi du CO2 (voir l'article dihydrogène)

Remarque : quand de l'eau est électrolysée, l'eau lourde (contenant l'isotope lourd deutérium à la place de 1H) a tendance à se dissocier en fin d'éléctrolyse, puisque la liaison D-O est un peu plus forte que le liaison 1H-O de l'eau légère (eau "normale" 1H2O).

Production de chlore

Le dichlore est un gaz jaunâtre toxique. On utilise aujourd'hui des électrolyseurs qui utilisent l'électrolyse d'une solution aqueuse de NaCl pour produire des ions hypochlorites à l'usage du traitement de l'eau des piscines.

Plaquage

La technique du plaquage par électrolyse consiste à recouvrir des objets d'une mince couche régulière d'un métal le plus souvent précieux ou d'un alliage : dorure, argenture, nickelage, chromage, cadmiage, cuivrage...

A titre d'exemple, une bague est plongée dans une solution de chlorure d'argent (Ag+ + Cl-) reliée à un générateur.

Les ions d'argent vont se déposer sur l'anneau selon la réaction d'oxydo-réduction : Ag+ (aq) + e- -> Ag (s) . On obtient ainsi un anneau plaqué argent, cette technique se nomme l'argenture.

D'une façon plus générale, les dérivés chimiques d'un métal donné peuvent être utilisés à des fins de placage avec ce dernier. Ainsi, on peut couvrir un objet métallique de cuivre avec le bain de sulfate de cuivre qu'on utilise d'ordinaire pour traiter la vigne.

On peut tester avec l'expérience suivante avec :

La cathode (-) est reliée à la pièce à plaquer, l'anode (+) est reliée à un morceau de cuivre qui servira à alimenter le placage. Les deux électrodes sont plongées dans le bain, à quelques centimètres l'une de l'autre et , on fait passer le courant tout autant de temps que indispensable.

Facteurs facilitant le phénomène :

Le chromage de pièce en acier se déroule ainsi :

Production de cuivre et d'aluminium

L'aluminium primaire est obtenu par électrolyse de l'alumine. Le procédé consiste à diminuer par électrolyse de l'alumine dissoute dans un bain de cryolithe (fluorure double d'aluminium et de sodium – AlF3, 3NaF) fondue à à peu près 950 °C, dans une cuve traversée par un courant électrique de haute intensité. Soumis à l'action du courant électrique continu, les ions sont transportés aux deux électrodes.

L'électrode positive attire les ions négatifs, l'oxygène (O--). L'anode est positionnée en haut du creuset où s'effectue l'électrolyse ; l'oxygène peut ainsi se dégager sous forme de CO2 gazeux, après avoir brûlé le carbone qui forme l'anode.

L'électrode négative, attire les ions positifs, l'aluminium (Al+++). La cathode est localisée au fond du creuset où l'aluminium plus lourd que le bain se dépose et reste sous forme d'une couche de métal liquide à haute température. Ce métal liquide est régulièrement aspiré et transporté en fonderie, pour être solidifié sous forme de demi-produit (lingot, billette, plaque de laminage).

Le phénomène global se traduit par la réaction : 2 Al2O3 + 3 C = 4 Al + 3CO2

L'affinage industriel du cuivre brut s'effectue par électrolyse d'anodes de cuivre brut dans un bain de sulfate de cuivre. Le cuivre pur (jusqu'à 99, 95 %) se fixe sur la cathode, les impuretés restant dans le bain.

Fondateurs

Les scientifiques pionners de l'électrolyse sont :

Des médecins ont développé une technique d'épilation basée sur l'utilisation de l'électrolyse :

Sources

Recherche sur Amazone (livres) :



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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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