électrolyse carte mentale

Comprendre le sujet

L'électrolyse est la décomposition chimique d'une substance, généralement ionique, sous l'effet d'un courant électrique forcé. Elle constitue l'inverse d'une pile : l'énergie électrique est convertie en énergie chimique. À la cathode négative se produit une réduction, tandis qu'à l'anode positive se produit une oxydation. Ce procédé permet d'obtenir des métaux comme l'aluminium, de produire du dihydrogène ou de déposer des couches protectrices par électroplastie.

Électrolyse et pile : deux phénomènes inverses
Une pile convertit spontanément de l'énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction d'oxydoréduction spontanée. L'électrolyse réalise le phénomène inverse : un générateur impose un courant qui force une réaction chimique non spontanée. Cette distinction se retrouve dans la polarité des électrodes. Dans une pile, l'anode est le pôle négatif ; dans une cellule d'électrolyse, l'anode est reliée au pôle positif du générateur. La cathode reste le siège de la réduction dans les deux cas, mais son signe change. Cette inversion est une source fréquente de confusion chez les élèves et mérite d'être mémorisée avec soin.

Choix des ions déchargés
Dans une solution contenant plusieurs espèces ioniques, plusieurs réactions sont théoriquement possibles à chaque électrode. Le choix dépend des potentiels d'électrode, des concentrations et de la nature des électrodes. À la cathode, l'ion le plus facilement réduit est déchargé en priorité ; à l'anode, l'ion le plus facilement oxydé l'est d'abord. Lors de l'électrolyse d'une solution de chlorure de sodium concentrée, on obtient du dichlore à l'anode plutôt que du dioxygène. Avec une solution diluée, la proportion de produits peut différer. Ces sélectivités expliquent pourquoi les conditions opératoires industrielles sont soigneusement contrôlées.

Les lois de Faraday
Michael Faraday a établi au XIXe siècle les relations quantitatives reliant la quantité d'électricité traversant la cellule à la quantité de matière déposée ou libérée aux électrodes. La charge électrique Q vaut le produit de l'intensité I par la durée t. La quantité de matière formée est alors n égale à Q divisée par le produit du nombre d'électrons échangés n et de la constante de Faraday F, voisine de 96 500 coulombs par mole. Ces lois permettent de prévoir la masse de métal déposée lors d'une galvanoplastie. En pratique, des réactions parasites réduisent souvent le rendement en dessous de cent pour cent.

Applications industrielles majeures
L'électrolyse est au cœur de plusieurs industries lourdes. Le procédé Hall-Héroult, mis au point à la fin du XIXe siècle, produit l'aluminium par réduction de l'alumine dissoute dans de l'cryolithe fondue, ce qui a rendu ce métal abordable. Le raffinage électrolytique du cuivre fournit un métal de grande pureté. La galvanoplastie dépose des couches de zinc, de nickel ou de chrome protégeant contre la corrosion. Plus récemment, l'électrolyse de l'eau est étudiée comme voie de production de dihydrogène décarboné, à condition que l'électricité utilisée soit elle-même d'origine renouvelable ou bas carbone.