L'électrolyse, un exemple de transformations forcées
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Le conducteur ohmique convertit toute l'énergie électrique qu'il reçoit en chaleur ; un moteur la convertit en énergie mécanique et en un peu en chaleur.
En quel type d'énergie l'énergie électrique est-elle convertie au sein d'un électrolyseur ? Que s'y passe-t-il ? Qu'appelle-t-on une électrolyse ?
Lors de son fonctionnement, l'électrolyseur est branché à un générateur de courant continu qui lui fournit de l'énergie électrique.
La solution contenant les ions et dans laquelle trempent les électrodes est appelée l'électrolyte ou la solution électrolytique.
2. Principe de fonctionnement
Or seul un type de réactions chimiques met en jeu un transfert d'électrons : les réactions d'oxydoréduction.
Parmi les espèces constituant l'électrolyseur (électrodes ou ions en solution), deux d'entre elles au moins sont un oxydant ou un réducteur.
L'oxydant présent O1 fait partie du couple : O1 / R1 ; le réducteur présent R2 fait partie du couple O2 / R2. Au cours du fonctionnement de l'électrolyseur :
- l'oxydant O1 se réduit en R1
selon : O1 + n1
e-→ R1.
Cette réduction peut avoir lieu grâce à l'apport des électrons fournis par la borne négative du générateur. - le réducteur R2 s'oxyde en O2
selon : R2 → O2 +
n2 e-.
Cette oxydation fournit à nouveau les électrons au circuit extérieur du côté de la borne positive du générateur.
Donc globalement, lorsque l'électrolyseur fonctionne a lieu la réaction d'oxydoréduction suivante : n1 R2 + n2 O1 → n2 R1 + n1 O2, qui correspond toujours au sens opposé de la transformation spontanée qui peut avoir lieu entre les couples O1 / R1 et O2 / R2.
Cette transformation est une transformation forcée, appelée une électrolyse.
L'électrode de l'électrolyseur reliée à la borne positive du générateur, sur laquelle a toujours lieu l'oxydation du réducteur est appelée anode, l'électrode reliée à la borne négative, sur laquelle a toujours lieu la réduction de l'oxydant, cathode.
Exemple : au cours de l'électrolyse d'une solution de bromure de cuivre (II) :
- à la cathode,
l'électrode de carbone reliée à la borne
négative du
générateur, l'oxydant Cu2+,
présent dans la solution dans laquelle trempe les
électrodes de carbone, se réduit
selon : Cu2+ + 2 e-→
Cu, en captant les électrons fournis par le
générateur ;
- à l'anode, l'électrode de carbone reliée à la borne positive du générateur, le réducteur Br-, s'oxyde en ions Br2 selon : 2 Br- → Br2 + 2 e-.
Donc globalement, l'équation chimique de
l'électrolyse qui a lieu est :
2 Br-(aq) +
Cu2+(aq)→
Br2(aq)+
Cu(s) (1).
L'équilibre : 2 Br-(aq) +
Cu2+(aq) → Br2(aq) +
Cu(s) a pour constante
K = 2.10-25 <<< 0.
Le sens direct de cet équilibre n'est donc pas le sens
spontané.
3. Caractéristiques d'un électrolyseur
• par une force contre électromotrice f.c.é.m., notée E' (en V) ;
• par une résistance interne : r' (en Ω).
La loi d'Ohm relative à un récepteur est : UAB = E' + r'.I avec UAB (en V) la tension entre ses bornes A et B et I (en A), l'intensité du courant qui le traverse de A vers B.
avec Q (en Coulomb C), la quantité d'électricité mise en jeu au cours de l'électrolyse pendant la durée de fonctionnement Δt (en s).
• Q =
n(e-)éch x
F ;
avec n(e-)éch (en mol), la
quantité d'électrons échangés,
pendant la durée Δt, au cours de la
réaction d'électrolyse et F, la constante de
faraday :
F = 96 500 C.mol-1.
Exemple : Un électrolyseur est alimenté par un courant d'intensité I = 600 mA pendant 1 heure
. Soit Q la quantité d'électricité mise en
jeu :
Q = I x Δt = 600.10-3 x 3 600 = 2 160 C
= 2,16.103 C.
Soit n (e-)éch, la quantité
d'électrons échangés, pendant 1 heure au
cours de l'électrolyse :
n(e-)éch = Q/F = 2160/96500 =
2,24.10-2 mol.
Un électrolyseur est un récepteur
électrique qui convertit de l'énergie
électrique en énergie chimique.
Un électrolyseur est constitué d'un
récipient, de deux électrodes
conductrices, qui trempent dans une solution contenant
des ions.
Parmi ces constituants, se trouvent au moins un oxydant
O1 (couple : O1 / R1) et
un réducteur R2 (couple O2 /
R2).
Au cours de l'électrolyse a lieu une réaction
d'oxydoréduction non spontanée, dite
forcée (Qr, i > K) entre l'oxydant
O1 qui se réduit à
l'électrode reliée à la borne
négative du générateur, la
cathode, et le réducteur R2, qui
s'oxyde à l'électrode reliée à la
borne positive du générateur,
l'anode.
La réduction de O1 peut avoir
lieu grâce à l'apport des électrons fournis
par la borne négative du
générateur.
I (en A), l'intensité du courant débité
par le générateur est :
I = Q/Δt = (n(e-)éch x F)/Δt ; avec :
• Q (en C), la quantité d'électricité
mise en jeu au cours de l'électrolyse pendant la
durée de fonctionnement Δt (en s),
• n(e-)éch (en mol), la
quantité d'électrons échangés,
pendant la durée Δt, au cours de la
réaction d'oxydoréduction d'électrolyse
et,
• F, la constante de faraday : F = 96 500
C.mol-1.
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