Électrolyse

l’électrolyse est le passage d’un courant électrique direct à travers un électrolyte produisant des réactions chimiques au niveau des électrodes et la décomposition des matériaux.

Les principaux composants nécessaires à l’électrolyse sont un électrolyte, des électrodes et une source d’alimentation externe. Une cloison (par exemple une membrane échangeuse d’ions ou un pont salin) est facultative pour empêcher les produits de se diffuser au voisinage de l’électrode opposée.

l’électrolyte est une substance chimique ionique conductrice qui contient des ions libres et transporte le courant électrique (par exemple, un polymère conducteur d’ions, une solution ou un composé ionique liquide). Si les ions ne sont pas mobiles, comme dans la plupart des sels solides, l’électrolyse ne peut pas se produire. Un électrolyte liquide est produit par:

• solvatation ou réaction d’un composé ionique avec un solvant (tel que l’eau) pour produire des ions mobiles
• Un composé ionique fondu par chauffage

Les électrodes sont immergées séparées par une distance telle qu’un courant circule entre elles à travers l’électrolyte et sont, Un courant continu fourni par la source d’énergie entraîne la réaction provoquant l’attraction des ions dans l’électrolyte vers l’électrode respective chargée de manière opposée.

Les électrodes de métal, de graphite et de matériau semi-conducteur sont largement utilisées. Choix de l’électrode appropriée dépend de la réactivité chimique entre l’électrode et l’électrolyte et les coûts de fabrication. Historiquement, lorsque les anodes non réactives étaient souhaitées pour l’électrolyse, le graphite (appelé plumbago à L’époque de Faraday) ou le platine étaient choisis. Ils se sont avérés être parmi les matériaux les moins réactifs pour les anodes., Le platine s’érode très lentement par rapport à d’autres matériaux, et le graphite s’effrite et peut produire du dioxyde de carbone dans des solutions aqueuses, mais ne participe pas à la réaction. Les Cathodes peuvent être faites du même matériau, ou elles peuvent être faites à partir d’un matériau plus réactif car l’usure de l’anode est plus importante en raison de l’oxydation au niveau de l’anode.

processus d’électrolysemodifier

le processus clé de l’électrolyse est l’échange d’atomes et d’ions par l’élimination ou l’addition d’électrons dus au courant appliqué., Les produits désirés de l’électrolyse sont souvent dans un état physique différent de l’électrolyte et peuvent être éliminés par des processus physiques (par exemple en recueillant du gaz au-dessus d’une électrode ou en précipitant un produit hors de l’électrolyte).

la quantité des produits est proportionnelle au courant, et lorsque deux ou plusieurs cellules électrolytiques sont connectées en série à la même source d’énergie, les produits fabriqués dans les cellules sont proportionnels à leur poids équivalent. Celles-ci sont connues sous le nom de lois de Faraday sur l’électrolyse.

Chaque électrode attire les ions de charge opposée., Les ions (cations) chargés positivement se déplacent vers la cathode (négative) fournissant des électrons. Les ions chargés négativement (anions) se déplacent vers l’anode d’extraction d’électrons (positive). Dans ce processus, les électrons sont effectivement introduits à la cathode en tant que réactif et éliminés à l’anode en tant que produit. En chimie, la perte d’électrons est appelée oxydation, tandis que le gain d’électrons est appelé réduction.

lorsque des atomes ou des molécules neutres, tels que ceux à la surface d’une électrode, gagnent ou perdent des électrons, ils deviennent des ions et peuvent se dissoudre dans l’électrolyte et réagir avec d’autres ions.,

lorsque les ions gagnent ou perdent des électrons et deviennent neutres, ils peuvent former des composés qui se séparent de l’électrolyte. Les ions métalliques positifs comme Cu2 + se déposent sur la cathode dans une couche. Les termes pour cela sont galvanoplastie, electrowinning, et electrorefining.

Lorsqu’un ion gagne ou perd des électrons sans devenir neutre, sa charge électronique est modifiée dans le processus.

Par exemple, l’électrolyse de la saumure produit de l’hydrogène et du chlore gazeux qui bouillonnent à partir de l’électrolyte et sont collectés., La réaction globale initiale est ainsi:

2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

la réaction à l’anode donne du chlore gazeux à partir d’ions chlore:

2 Cl− → Cl2 + 2 e−

la réaction à la cathode donne de l’hydrogène gazeux et des ions hydroxyde:

2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−

sans séparation entre les électrodes, les ions OH− produits à la cathode sont libres de diffuser dans tout l’électrolyte jusqu’à l’électrolyte.anode., Comme l’électrolyte devient plus basique en raison de la production de OH−, moins de Cl2 émerge de la solution lorsqu’il commence à réagir avec l’hydroxyde produisant de l’hypochlorite à l’anode:

CL2 + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H2O

plus le Cl2 a de chances d’interagir avec le NaOH dans la solution, moins de Cl2 émerge à la surface de la solution et plus la production d’hypochlorite progresse rapidement. Cela dépend de facteurs tels que la température de la solution, la durée pendant laquelle la molécule Cl2 est en contact avec la solution et la concentration de NaOH.,

de même, lorsque l’hypochlorite augmente en concentration, des chlorates en sont produits:

3 NaClO → NaClO3 + 2 NaCl

d’autres réactions se produisent, telles que l’auto-ionisation de l’eau et la décomposition de l’hypochlorite à la cathode, la vitesse de cette dernière dépend de facteurs tels que la diffusion et la surface,

potentiel de Décomposationmodifier

le potentiel de décomposition ou tension de décomposition fait référence à la tension minimale (différence de potentiel d’électrode) entre l’anode et la cathode d’une cellule électrolytique nécessaire à l’électrolyse.

la tension à laquelle l’électrolyse est thermodynamiquement préférée est la différence des potentiels d’électrode calculée à l’aide de l’équation de Nernst. L’application d’une tension supplémentaire, appelée surpotentielle, peut augmenter la vitesse de réaction et est souvent nécessaire au-dessus de la valeur thermodynamique., Il est particulièrement nécessaire pour les réactions d’électrolyse impliquant des gaz, tels que l’oxygène, l’hydrogène ou le chlore.

oxydation et réduction aux électrodesmodifier

L’oxydation des ions ou des molécules neutres se produit à l’anode. Par exemple, il est possible d’oxyder des ions ferreux en ions ferriques à l’anode:

Fe2+
(aq) → Fe3+
(aq) + e−

une réduction des ions ou des molécules neutres se produit à la cathode. Il est possible de réduire les ions ferricyanure en ions ferrocyanure au niveau de la cathode:

Fe(CN)3-
6 + e− → Fe(CN)4-
6

des molécules neutres peuvent également réagir au niveau de l’une ou l’autre des électrodes., Par exemple: la p-Benzoquinone peut être réduite en hydroquinone à la cathode:

+ 2 e – + 2 H + →

dans le dernier exemple, les ions H+ (ions hydrogène) participent également à la réaction et sont fournis par l’acide dans la solution, ou par le solvant lui-même (eau, méthanol, etc.). Les réactions d’électrolyse impliquant des ions H + sont assez courantes dans les solutions acides. Dans les solutions alcalines aqueuses, les réactions impliquant des ions OH− (hydroxyde) sont courantes.

Parfois, les dissolvants (généralement de l’eau) sont oxydés ou réduits au niveau des électrodes., Il est même possible d’avoir une électrolyse impliquant des gaz, par exemple en utilisant une électrode de diffusion gazeuse.

changements D’énergie pendant l’électrolysemodifier

la quantité d’énergie électrique qui doit être ajoutée est égale à la variation de L’énergie libre de Gibbs de la réaction plus les pertes dans le système. Les pertes peuvent (en théorie) être arbitrairement proches de zéro, de sorte que l’efficacité thermodynamique maximale est égale au changement d’enthalpie divisé par le changement d’énergie libre de la réaction., Dans la plupart des cas, l’entrée électrique est plus grande que la variation d’enthalpie de la réaction, de sorte que certains de l’énergie est libérée sous forme de chaleur. Dans certains cas, par exemple, lors de l’électrolyse de la vapeur en hydrogène et en oxygène à haute température, l’inverse est vrai et l’énergie thermique est absorbée. Cette chaleur est absorbée par l’environnement et la valeur calorifique de l’hydrogène produit est supérieure à l’entrée électrique.

Variationsmodifier

le courant pulsé donne des produits différents du courant continu., Par exemple, la pulsation augmente le rapport de l’ozone, à l’oxygène produit à l’anode dans l’électrolyse d’une solution aqueuse solution acide comme l’acide sulfurique dilué. L’électrolyse de l’éthanol avec un courant pulsé fait évoluer un aldéhyde au lieu principalement d’un acide.

technique Connexemodifier

Les techniques suivantes sont liées à l’électrolyse:

• Les cellules électrochimiques, y compris la pile à combustible à hydrogène, utilisent des différences de potentiel d’électrode Standard pour générer un potentiel électrique qui fournit une puissance utile., Bien que liées à l’interaction des ions et des électrodes, l’électrolyse et le fonctionnement des cellules électrochimiques sont très distincts. Cependant, une cellule chimique ne doit pas être considérée comme effectuant une électrolyse inverse.