L'électrolyse, un exemple de transformations forcées - Maxicours

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L'électrolyse, un exemple de transformations forcées

Objectif : Un électrolyseur est un récepteur électrique, au même titre qu'un conducteur ohmique ou un moteur : il convertit de l'énergie électrique en un autre type d'énergie.
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 ?

1. Constitution d'un électrolyseur
Un électrolyseur est constitué d'un récipient (par exemple un tube en U), de deux électrodes conductrices (métalliques ou en carbone), qui trempent dans une solution contenant des ions.

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
Un électrolyseur est un convertisseur d'énergie : il convertit de l'énergie électrique en énergie chimique, en utilisant les électrons fournis par le générateur de courant continu.
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
a. Caractéristiques physiques
Un électrolyseur, comme tout récepteur électrique, est caractérisé :
• 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.

b. Intensité I du courant traversant l'électrolyseur
I = Q/Δt ou Q = I x Δt ;
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 ;
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.
 

 

L'essentiel

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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