Chimie · 4ème InfoThème 2 : L'électrochimie · Chapitre 2

L'électrolyse

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• distinguer une réaction spontanée et une réaction imposée ;
• interpréter une électrolyse : anode, cathode, migration des ions ;
• distinguer l'électrolyse à anode soluble et à électrodes inattaquables ;
• relier la masse déposée à la quantité d'électricité (constante de Faraday) ;
• citer des applications industrielles.
Prérequis : oxydoréduction, piles électrochimiques.

Situation de départ

Le cuivre des fils électriques est purifié à 99,9 %, des couverts en métal sont argentés, et une batterie de voiture se recharge pendant que le moteur tourne. Dans tous ces cas, c'est un courant électrique qui provoque une réaction chimique.
Comment ?

I. Réaction spontanée, réaction imposée

Animation

Le cuivre en poudre réagit de lui-même avec l'eau de brome : Cu + Br₂ Cu²⁺ + 2 Br^-. Une réaction qui se produit dès que les réactifs sont mis en présence, sans intervention extérieure, est spontanée.
Dans un tube en U contenant une solution de bromure de cuivre (II), deux électrodes de graphite sont reliées à un générateur. Au-delà d'une tension d'environ 0,8 V, il se dépose du cuivre sur l'électrode reliée au pôle - et il se forme du dibrome près de l'électrode reliée au pôle + : Cu²⁺ + 2 Br^- Cu + Br₂. C'est la réaction inverse de la précédente, réalisée grâce à l'énergie fournie par le générateur : une réaction imposée.

À retenir

l'électrolyse est une transformation chimique imposée par le passage d'un courant électrique ;
la cathode, reliée au pôle - du générateur, est le siège d'une réduction ; les cations migrent vers elle ;
l'anode, reliée au pôle +, est le siège d'une oxydation ; les anions migrent vers elle ;
dans les fils, le courant est dû aux électrons : ils sortent de l'anode, traversent le générateur et arrivent à la cathode ; dans la solution, le courant est dû aux ions.

Fig. 1 — Électrolyse du bromure de cuivre (II) : les électrons quittent l'anode par le fil, les ions assurent le passage du courant dans la solution.

II. Électrolyse à anode soluble

Animation

Avec une anode en cuivre et une cathode quelconque dans une solution de sulfate de cuivre (II) :

Cu Cu²⁺ + 2 e^-

Cu²⁺ + 2 e^- Cu

L'anode s'use et la cathode se recouvre de cuivre ; la concentration en ions Cu²⁺, donc la couleur, ne varie pas : le cuivre est transporté de l'anode à la cathode. On parle d'électrolyse à anode soluble. Le bilan Cu + Cu²⁺ Cu²⁺ + Cu montre que rien ne change dans la solution.

Quantité d'électricité et masse déposée

Un courant d'intensité constante I, pendant une durée t, fait passer la charge Q = I.t. Une mole d'électrons porte la charge F = N_A.e = 96 500 C.mol^-1 (constante de Faraday). Pour Mⁿ⁺ + n e^- M :

n(M) = ^Q_n.F m = ^I.t.M_n.F

Plus généralement, la quantité de toute espèce formée ou consommée à une électrode est n = ^Q_n.F, où n est le nombre d'électrons échangés par entité (n = 2 pour Cu²⁺, n = 1 pour Ag⁺, n = 4 pour O₂) ; pour un gaz, V = n.V_M. Les électrons cédés à l'anode sont ceux captés à la cathode : n(e^-) = ^Q_F est le même aux deux électrodes.

Exemple

Argenture d'une médaille : I = 0,50 A pendant 20 min, Ag⁺ + e^- Ag (n = 1) : m = 0,50 x 1200 x 108/(1 x 96 500) = 0,67 g d'argent.

Fig. 2 — De la charge à la masse : chaque étape est une proportion ; l'exemple est celui de l'argenture ci-dessus.

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