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Électrolyse

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Un appareil appelé voltamètre Hoffman est utilisé pour l'électrolyse de l'eau. Il est connecté à un convertisseur de source de courant continu.

En chimie et fabrication, électrolyse est une méthode de séparation des éléments et des composés liés en faisant passer un courant électrique à travers eux. Le procédé est extrêmement utile pour produire une variété d'éléments et de composés, y compris l'hydrogène, l'oxygène, le chlore, le lithium, le sodium, le potassium, l'aluminium, l'hydroxyde de sodium, le chlorate de potassium et l'aspirine. L'électrolyse de l'eau est utilisée dans les sous-marins et les stations spatiales pour générer de l'oxygène pour l'équipage. Si l'hydrogène devait devenir un combustible important à l'avenir, une source majeure serait l'électrolyse de l'eau.

Présentation

De manière générale, le processus d'électrolyse peut être décrit comme suit. Un composé ionique est dissous dans un solvant (qui peut être de l'eau ou un autre liquide) ou fondu par chauffage. En conséquence, les ions du composé deviennent disponibles sous forme liquide, ce qui est appelé le électrolyte. Une paire d'électrodes inertes est immergée dans le liquide et une tension électrique leur est appliquée. Une électrode, appelée cathode, devient chargé négativement; l'autre, appelé anode, devient chargé positivement.

Chaque électrode attire des ions de charge opposée. Les ions chargés positivement (cations) se déplacent vers la cathode, tandis que les ions chargés négativement (anions) se déplacent vers l'anode. Les ions sont porteurs de courant électrique à travers le liquide (électrolyte). La cathode fournit des électrons aux cations et l'anode absorbe les électrons des anions. En conséquence, les cations et les anions sont neutralisés aux électrodes, produisant les éléments ou composés souhaités.

Dans la plupart des cas, une certaine quantité d'énergie est libérée sous forme de chaleur. Dans certains cas, comme l'électrolyse à haute température de la vapeur pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène, la chaleur est absorbée par l'environnement.

Exemples

L'électrolyse d'une solution aqueuse de sel de table (chlorure de sodium ou NaCl) produit de l'hydroxyde de sodium aqueux et du chlore, généralement en quantités infimes. Une solution de NaCl peut être électrolysée de manière fiable pour produire de l'hydrogène. Pour produire du chlore commercialement, le chlorure de sodium fondu est électrolysé pour produire du sodium métallique et du chlore gazeux. Ces produits réagissent violemment entre eux, donc une cellule au mercure est utilisée pour les séparer.

Électrolyse de l'eau

Schéma d'un voltamètre Hoffman utilisé pour l'électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux

Une utilisation importante de l'électrolyse est de produire de l'hydrogène gazeux à partir de l'eau. La réaction est la suivante.

2H2O → 2H2 + O2

L'électrolyse de l'eau peut être effectuée par un projet simple et pratique. Les électrodes en platine sont plongées dans une tasse d'eau salée et connectées à une batterie ou à une alimentation CC basse tension. (Le sel est nécessaire pour produire des ions qui transportent l'électricité.) Lorsque l'alimentation est activée, l'hydrogène gazeux commence à bouillonner à la cathode et à l'oxygène à l'anode.

Si l'anode n'est pas en platine, l'oxygène réagit généralement avec l'anode au lieu d'être libéré sous forme de gaz. Par exemple, si des électrodes de fer sont placées dans une solution de chlorure de sodium, de l'oxyde de fer est produit à l'anode, qui réagit avec l'eau pour former de l'hydroxyde de fer. Lorsque ce processus est utilisé pour produire de grandes quantités d'hydrogène, il peut contaminer de manière significative la cellule électrolytique. Pour cette raison, le fer n'est pas utilisé pour l'électrolyse commerciale.

L'efficacité énergétique de l'électrolyse de l'eau varie considérablement. Certains rapportent une efficacité énergétique de 50 à 70% 1, tandis que d'autres déclarent 80 à 94% 2. Ces valeurs se réfèrent à l'efficacité de la conversion de l'énergie électrique en énergie chimique de l'hydrogène - l'énergie perdue lors de la génération de l'électricité n'est pas incluse.

Lois de l'électrolyse

Après avoir étudié le processus d'électrolyse, Michael Faraday a trouvé deux types de relations qui peuvent être énoncées comme suit:

  • La masse d'une substance produite à une électrode pendant l'électrolyse est proportionnelle au nombre de moles d'électrons (la quantité d'électricité) transférées à cette électrode.
  • La quantité (en unités "Faraday") de charge électrique nécessaire pour décharger une mole de substance à une électrode est égale au nombre de charges élémentaires "en excès" sur cet ion.

Ces deux déclarations sont souvent considérées comme les lois d'électrolyse de Faraday.

Outre Faraday, les pionniers scientifiques de l'électrolyse ont inclus Sir Humphry Davy, Paul Héroult, Svante Arrhenius et Adolph Wilhelm Hermann Kolbe.

Applications

Le processus d'électrolyse est utilisé par l'industrie pour fabriquer divers matériaux, notamment l'aluminium, le lithium, le sodium, le potassium, le chlore, l'hydroxyde de sodium et le chlorate de sodium et de potassium. La production de certains composés organiques, tels que l'aspirine et l'acide trifluoroacétique, implique également l'électrolyse. De même, ce processus peut être utilisé pour produire de l'hydrogène à utiliser dans les voitures à hydrogène et les piles à combustible.

Dans les laboratoires scientifiques, une technique appelée électrophorèse sur gel repose sur l'électrolyse pour séparer les molécules de différentes tailles. Par exemple, si un échantillon consiste en un mélange de brins d'ADN de différentes longueurs dans une solution aqueuse, l'ADN (chargé négativement) peut être amené à passer à travers un gel poreux sous l'influence d'un champ électrique. Tous les brins d'ADN se déplacent vers l'anode, mais à des vitesses différentes - les brins les plus courts se déplacent le plus rapidement à travers le gel, tandis que les brins les plus longs se déplacent le plus lentement. Ce processus sépare les brins de différentes tailles.

En plus de produire de l'hydrogène, l'électrolyse de l'eau produit également de l'oxygène. Dans les sous-marins nucléaires, l'eau de mer est électrolysée pour générer de l'oxygène permettant à l'équipage de respirer tout en restant sous l'eau pendant de longues périodes. De même, les stations spatiales peuvent utiliser l'électrolyse pour produire de l'oxygène à partir des eaux usées ou du surplus d'eau produit par les piles à combustible. Ces deux applications dépendent d'une alimentation électrique abondante, fournie par le réacteur nucléaire ou les panneaux solaires.

Certains ont suggéré que l'électrolyse de l'eau soit utilisée pour faire évoluer la société vers la production et l'utilisation d'hydrogène comme carburant régulier pour alimenter des choses telles que les moteurs électriques et les moteurs à combustion interne. De cette manière, ils plaident pour une évolution vers une «économie de l'hydrogène».

Voir également

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