Au programme de ce chapitre
- I. Une transformation forcée
- II. Prévoir les produits
- III. Applications et calcul
- Savoir-faire
- Exercices types corrigés
- Teste-toi — vrai ou faux ?
- Pièges fréquents et astuces
- À retenir
La définition à retenir
Définition Une électrolyse est une réaction d'oxydoréduction non spontanée, forcée par un générateur de courant continu. Elle convertit de l'énergie électrique en énergie chimique.
- L'anode, reliée au pôle + du générateur, est le siège de l'oxydation.
- La cathode, reliée au pôle −, est le siège de la réduction.
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Un exemple corrigé
Exemple Électrolyse d'une solution de chlorure de cuivre CuCl2 :
Cathode (−) : Cu2+ + 2 e− → Cu (dépôt rouge)
Anode (+) : 2 Cl− → Cl2 + 2 e− (dégagement de dichlore, odeur d'eau de Javel)
Bilan : Cu2+ + 2 Cl− → Cu + Cl2. C'est l'inverse de la réaction spontanée entre le cuivre et le dichlore : il faut une tension d'au moins 1,36 − 0,34 = 1,02 V (en pratique davantage).
Cathode (−) : Cu2+ + 2 e− → Cu (dépôt rouge)
Anode (+) : 2 Cl− → Cl2 + 2 e− (dégagement de dichlore, odeur d'eau de Javel)
Bilan : Cu2+ + 2 Cl− → Cu + Cl2. C'est l'inverse de la réaction spontanée entre le cuivre et le dichlore : il faut une tension d'au moins 1,36 − 0,34 = 1,02 V (en pratique davantage).
Lexique
- électrolyse
- réaction rédox forcée par un générateur électrique
- électrolyte
- solution ou composé fondu qui conduit le courant grâce à ses ions
- constante de Faraday
- charge d'une mole d'électrons, environ 96 500 C/mol
- galvanoplastie
- dépôt d'une couche de métal sur un objet par électrolyse
Les erreurs fréquentes à éviter
Piège — oublier de convertir le temps en secondes. Dans Q = I × t, le temps est en secondes. Avec 2,0 h, il faut écrire t = 7200 s. Si tu laisses 2,0 dans le calcul, ta masse sera 3600 fois trop petite.
Piège — oublier le nombre d'électrons par ion. Un ion Cu2+ demande 2 électrons, un ion Al3+ en demande 3. La relation est n(produit) = n(e−) / z. Oublier de diviser par z donne une masse 2 ou 3 fois trop grande.
Attention En solution aqueuse, les ions très peu oxydants comme Na+, K+, Mg2+ ou Al3+ ne sont pas réduits : c'est l'eau qui l'est, et il se dégage du dihydrogène à la cathode (2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−). Pour obtenir du sodium ou de l'aluminium, il faut électrolyser le composé fondu, sans eau.
L'astuce du prof
Astuce. Avant tout calcul, écris la demi-équation de l'électrode : elle te donne directement le nombre z d'électrons et le sens de la transformation. Les deux autres étapes (Q puis n(e−)) deviennent alors mécaniques.
Exercices corrigés
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Exercice 1 — Produire du magnésium
On électrolyse du chlorure de magnésium MgCl2 fondu. a) Écris les réactions aux électrodes et le bilan. b) Pourquoi ne peut-on pas obtenir de magnésium en électrolysant une solution aqueuse de chlorure de magnésium ?
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Les cations vont vers la cathode, les anions vers l'anode. a) Cathode (−) : Mg2+ + 2 e− → Mg. Anode (+) : 2 Cl− → Cl2 + 2 e−. Bilan : Mg2+ + 2 Cl− → Mg + Cl2. b) En solution, le magnésium (E° = −2,37 V) n'est pas réduit : c'est l'eau qui l'est, et il se forme du dihydrogène. Il faut donc travailler sans eau, sur le sel fondu.
Exercice 2 — Le procédé chlore-soude
On électrolyse une solution aqueuse de chlorure de sodium. À la cathode, un dégagement gazeux apparait ; à l'anode, un gaz jaune-vert à l'odeur piquante se forme. a) Écris les deux demi-équations et le bilan. b) Quel ion se concentre autour de la cathode ? c) Quelle substance utile obtient-on avec le dichlore et le dihydrogène ?
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Raisonnons électrode par électrode. a) À la cathode, l'eau est réduite (les ions sodium ne le sont pas) : 2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−. À l'anode, les ions chlorure sont oxydés : 2 Cl− → Cl2 + 2 e−. Bilan : 2 Cl− + 2 H2O → Cl2 + H2 + 2 OH−. b) Ce sont les ions hydroxyde OH−, qui avec Na+ forment la soude NaOH. c) On obtient du dichlore, du dihydrogène et de la soude, matières premières de l'industrie chimique, par exemple pour fabriquer le PVC.