Électrolyse - Définition

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.

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.

• Une différence de potentiel électrique est appliquée entre deux électrodes immergées dans cette solution.
• La cathode est le siège d'une réduction et, l'anode 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 avec les piles !)
• Lors du passage d'un courant électrique continu, les électrodes attirent à elles les ions de charge 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)_6^3-(aq)+ e^--> Fe(CN)_6^4-(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 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 toutes les 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

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

Réactions :

• Oxydation à l'anode (reliée au pôle + du générateur) :

• Réduction à la cathode (reliée au pôle - du générateur) :

• Globalement, nous avons :

La quantité de gaz 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, 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 (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 légèrement plus forte que le liaison ¹H-O de l'eau légère (eau "normale" ¹H₂O).

Production de Chlore

On utilise actuellement des électrolyseurs qui utilisent l'électrolyse d'une solution aqueuse de NaCl pour produire du chlore 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 généralement précieux.

Par exemple, une bague est plongée dans une solution de chlorure d'argent (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 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:

• Une source de courant continu 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 courant autant de temps que nécessaire.

Facteurs favorisant le phénomène :

• Concentration du bain : Plus le bain est concentré, plus le placage est rapide.
• Surface de la pièce à plaquer : plus la surface de la pièce est grande, plus l'intensité électrique doit être élevée.
• La vitesse du dépôt : elle est proportionnelle à la quantité de courant traversant la pièce à plaquer.
• La température : la chaleur favorise le rendement du bain.

le chromage de pièce en acier se déroule ainsi :

· la pièce métallique constituant la CATHODE est plongée avec une ANODE en chrome 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 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 – 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 où s’effectue l’électrolyse ; l’oxygène peut ainsi se dégager sous forme de CO2 gazeux, après avoir brûlé le carbone 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.

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, scientifique 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, 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.
• 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).