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Électrolyse
Représentation symbolique d'un électrolyseur dans un circuit
Représentation symbolique d'un électrolyseur dans un circuit

Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la...).

Principe

La matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux....) à décomposer ou à transférer est dissoute dans un solvant approprié, ou fondue de sorte que ses ions constitutifs soient disponibles dans la solution.

  • Une différence de potentiel électrique (Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de l'espace. Son unité est le volt.) est appliquée entre deux électrodes immergées dans cette solution.
  • La cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui débite et à la borne négative du générateur extérieur dans le cas d'un...) est le siège d'une réduction et, l'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit une réaction électrochimique de...) le siège d'une oxydation . (Le potentiel de l'anode étant supérieur -ou égal dans une pile court circuitée- au potentiel de la cathode on peut dire que l'anode est la borne positive et la cathode la borne négative; attention c'est l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) avec les piles !)
  • Lors du passage d'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont imposés par...) continu, les électrodes attirent à elles les ions de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne...) opposée. Mais il est faux de dire que l'électrolyse se résume à l'oxydation des anions à l'anode et à la réduction des cations à la cathode. En effet, il est possible d'oxyder des cations à l'anode (par exemple Fe2+(aq) -> Fe3+(aq) + e- ) ou de réduire des anions à la cathode (par exemple hexacyanoferrate(III) donne hexacyanoferrate (II) : Fe(CN)63-(aq)+ e--> Fe(CN)64-(aq) ) .

De même, des molécules neutres peuvent réagir aux électrodes (par exemple la para-quinone est réduite en para-dihydroquinone). Cela est possible car le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de...) des espèces à l'électrode peut se faire par trois mécanismes différents : par migration qui entraine le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la...) des espèces chimiques chargées (ions) dans le champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace...) au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères...) de la cellule d'électrolyse, par diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de...) qui concerne toutes les espèces chimiques pour lequel il existe un gradient de concentration et par convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau se met en mouvement...) naturelle ou forcée selon que l'agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs pour rendre une ou plusieurs de ces caractéristiques homogènes. Plusieurs types...) de la solution est due à l'agitation thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...) ou à une agitation mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission,...).

Applications

Production de dihydrogène par électrolyse de l'eau

L'électrolyse peut être utilisée pour décomposer l'eau (H2O) en dihydrogène (H2) et en dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions normales de pression et de température.) (O2).

Réactions :

  • Oxydation à l'anode (reliée au pôle + du générateur) :
\begin{matrix} & \\ 2\,\mbox{H}_2\mbox{O (liquide)}& \overrightarrow{\qquad} & \mbox{O}_2 \mbox{ (gaz)} + 4\,\mbox{H}^+\mbox{ (aqueux)} + 4\,e^-\   \\\end{matrix}
  • Réduction à la cathode (reliée au pôle - du générateur) :
\begin{matrix} & \\ 4\,\mbox{H}_2\mbox{O (liquide)} + 4\,e^-\overrightarrow{\qquad} & 2\,\mbox{H}_2 \mbox{ (gaz)} + 4\,\mbox{OH}^-\mbox{ (aqueux)} \   \\\end{matrix}
  • Globalement, nous avons :
\begin{matrix} & \\ 2\,\mbox{H}_2\mbox{O (liquide)}\overrightarrow{\qquad} & 2\,\mbox{H}_2 \mbox{ (gaz)} + \mbox{O}_2\mbox{ (gaz)} \   \\\end{matrix}

La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe...) de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...) produite peut être calculée par la loi de Faraday.

Néanmoins, si cette méthode est efficace (rendements de 90 % en solution alcaline), elle n'est pas la moins chère pour produire du dioxygène et du dihydrogène industriellement. On préfère souvent extraire le dioxygène de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser...), et le dihydrogène par reformage du méthane : CH4. Mais contrairement à l'électrolyse, cette méthode produit également du CO2 (voir l'article dihydrogène)

Remarque : lorsque de l'eau est électrolysée, l'eau lourde (L'eau lourde est de l’oxyde de deutérium (formule : D2O ou 2H2O). Chimiquement, elle est identique à l’eau normale (H2O), mais les atomes...) (contenant l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le...) lourd deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.) à la place de 1H) a tendance à se dissocier en fin d'éléctrolyse, puisque la liaison D-O est légèrement plus forte que le liaison 1H-O de l'eau légère (eau "normale" 1H2O).

Production de Chlore (Le chlore est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Cl, et de numéro atomique 17.)

On utilise actuellement des électrolyseurs qui utilisent l'électrolyse d'une solution aqueuse de NaCl pour produire du chlore à l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) 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 (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les...) généralement précieux.

Par exemple, une bague est plongée dans une solution de chlorure d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.) (Ag+ + Cl-) reliés à un générateur.

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

Plus généralement, les dérivés chimiques d'un métal donné peuvent être utilisés à des fins de placage avec ce dernier. Ainsi, on peut couvrir un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et...) métallique de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces...) avec le bain de sulfate de cuivre qu'on utilise d'ordinaire pour traiter la vigne (Les vignes sont des lianes de la famille des Vitaceae. Ce sont des plantes du genre Vitis largement cultivées pour leur fruit en grappes, le...).

On peut tester avec l'expérience suivante avec:

  • Une source de courant continu (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un courant périodique dont la composante continue est...) réglable, capable de délivrer de 1 à 10 Ampères.
  • Un récipient pour le bain (ne doit pas être métallique).

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 genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) le courant autant de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) que nécessaire.

Facteurs favorisant le phénomène :

  • Concentration du bain : Plus le bain est concentré, plus le placage est rapide.
  • Surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) de la pièce à plaquer : plus la surface de la pièce est grande, plus l'intensité électrique doit être élevée.
  • La vitesse (On distingue :) du dépôt : elle est proportionnelle à la quantité de courant traversant la pièce à plaquer.
  • La température : la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) favorise le rendement du bain.

le chromage de pièce en acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de...) se déroule ainsi :

· la pièce métallique constituant la CATHODE est plongée avec une ANODE en chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.) dans une solution (l'ELECTROLYTE) contenant des ions de chrome (Cr3+) ; · le générateur positionné entre l'anode et la cathode délivre un courant continu ; · la pièce métallique gagne des électrons et attire les ions de chrome qui adhérent à sa surface.

Production de cuivre et d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.)

L’aluminium primaire est obtenu par électrolyse de l’alumine .Le procédé consiste à réduire par électrolyse de l’alumine dissoute dans un bain de cryolithe (fluorure double d’aluminium et de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à l'état de corps...) – AlF3, 3NaF) fondue à environ 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 placée en haut du creuset (Un creuset est un pot en matériau réfractaire ou en métal servant à la fusion ou la calcination.) où s’effectue l’électrolyse ; l’oxygène peut ainsi se dégager sous forme de CO2 gazeux, après avoir brûlé le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) qui constitue l’anode.

L’électrode négative, attire les ions positifs, l’aluminium (Al+++). La cathode est située au fond du creuset où l’aluminium plus lourd que le ban se dépose et reste sous forme d’une couche liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.).

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 :

  • Humphry Davy (Davy (titre original : Davy) est un roman de Edgar Pangborn publié en 1964.), scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) brittanique, est le créateur de l'électrochimie.
  • Dr Charles Eugene Michel, ophtalmologiste américain, a eu l'idée en 1875 d'insérer une fine aiguille chargée de courant galvanique dans les follicules pileux chez un de ses patient (Dans le domaine de la médecine, le terme patient désigne couramment une personne recevant une attention médicale ou à qui est prodigué un soin.), à des fins d'épilation.
  • Professeur Paul M. Kree, technicien et inventeur, a mis sur pied en 1916 le type d'appareil à multiples aiguilles.
  • Van Zeynik fut en 1899 le premier à observer que les tissus organiques peuvent être chauffés par un courant de haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...).
  • Michael Faraday dont la loi permet de calculer la quantité de gaz produite
  • Svante Arrhenius
  • Adolph Wilhelm Hermann Kolbe
  • Robert Beaudin

Sources

  • Cellules électrochimiques :aspects thermodynamiques et cinétiques, Didier Devilliers et Éric Mahé, L’actualité chimique - Janvier 2003- Article en ligne. (fr) (lien).
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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