Applications de l`électrolyse

Chapitre 15
Applications de l’électrolyse
R́  R́́
du TP no 18, or, nickel, chrome, argent). La pièce
à protéger sert de cathode. L’électrolyte est une
solution d’ions Mn+ du métal M à déposer. La
demi-équation de la réduction ayant lieu à la cathode est :
Électrolyse L’électrolyse est la transformation électrochimique forcée qui se produit lorsqu’un générateur externe débite un courant dans une cuve
contenant un électrolyte et deux électrodes : la
cathode où se produit la réduction et l’anode où
se produit une oxydation.
Mn+
+ n e− = M(s)
(aq)
Le Faraday Le Faraday est la charge d’une mole d’électrons :
Production de l’aluminium Cette application, particulièrement importante, est tombée au bac national en 2005. Elle se décompose en deux étapes :
1 F = NA · |−e | = 9, 65·104 C.mol−1
Quantité d’électricité La quantité d’électricité Q qui
a circulé pendant la durée ∆t de l’électrolyse est
reliée à l’intensité I du courant continu débité par
l’alimentation et à la quantité de matière d’électrons échangés n(e− ) :
1. purification de la bauxite, minerai d’aluminium, pour obtenir de l’alumine
Aℓ2 O3(s) pure ;
2. électrolyse de l’alumine en aluminium Aℓ(s).
−
Q = I · ∆t = n(e ) · F
Anode soluble Ce moyen d’affinage électrolytique
(ou purification d’un métal par électrolyse) est
aussi particulièrement important.
Protection de l’acier On dépose sur une pièce d’acier
à protéger un métal M (étain, zinc comme lors
M ́
Électrolyse
Cathode
Anode soluble
Anode
Protection des métaux
Affinage électrolytique
E
c. Écrire les demi-équations des réactions ayant lieu
à l’anode et à la cathode, et en déduire l’équation
globale de transformation de l’alumine.
d. Calculer la puissance puis l’énergie consommée par
l’électrolyseur :
Données : couples oxydant-réducteur utiles pour
les exercices : (Aℓ3+ / Aℓ ) ; (O2 / O2− ) ; (H+ / H2 ) ;
(O2 / H2 O) ; (Cu2+ / Cu) ; (Ni2+ / Ni) ; (Fe2+ / Fe) ;
(Au3+ / Au) ; (Ag+ / Ag) ; (Zn2+ / Zn).
15.1 Électrolyse de l’alumine
Péℓ = UI
L’alumine est un composé solide ionique formé d’ions
aluminium (III) Aℓ3+ et d’ions oxyde O2−. Sa température de fusion est très élevée (2 040o C). L’addition de
cryolithe (Na2 AℓF6 ) à l’alumine abaisse la température
de fusion du mélange à 950o C. Ce mélange constitue
l’électrolyte qui, du point de vue de l’électrolyse, est
modélisé par (2 Aℓ3+ + 3 O2−).
Les anode et cathode de l’électrolyseur sont en carbone, soumises à une tension de 4 V. L’intensité du
courant peut atteindre 300 kA, maintenant ainsi le mélange en fusion à 950o C.
L’aluminium obtenu est liquide Aℓ(ℓ).
a. Quel est l’intérêt d’utiliser des électrodes en carbone ?
b. Quel effet explique que le mélange alumine + cryolithe soit maintenu à sa température de fusion de
950o C, sans chauffage extérieur ?
et Eéℓ = Péℓ · ∆t
pour produire une tonne d’aluminium.
15.2 Anodisation de l’aluminium
L’aluminium présente à sa surface une mince couche
d’alumine qui le protège de l’oxydation (passivation).
Mais cette couche très fine est insuffisante à protéger
totalement le métal, on augmente donc son épaisseur
par une électrolyse appelée anodisation :
– la cathode, en plomb, est inerte ;
– l’anode est la pièce d’aluminium à anodiser ;
– l’électrolyte est une solution d’acide sulfurique ;
À la cathode, on observe un dégagement gazeux de
dihydrogène.
À l’anode, l’aluminium est transformé en ion aluminium (III) Aℓ3+(aq) , qui réagit avec l’eau pour donner
l’alumine selon la réaction d’équation :
1
2 Aℓ3+(aq) +3 H2 O(ℓ) = Aℓ2 O3(s) +6 H+(aq)
d. Que deviennent les éléments fer, nickel, argent et
or, sachant que ni l’or ni l’argent ne peuvent être
oxydés ?
e. Commenter le nom donné à cette électrolyse.
f. La masse de cuivre déposée à la cathode est de 30,0 g
en 30 min ; quelle était la valeur de l’intensité du
courant électrique ?
a. Écrire les équations des réactions ayant lieu aux
électrodes, ainsi que l’équation globale de l’électrolyse.
b. Quelle est la propriété de l’alumine vis-à-vis du
courant électrique ? Peut-on considérer qu’il y a un
dépôt sur l’objet en aluminium ?
c. L’anodisation d’une feuille d’aluminium a duré
10 min, sous une intensité de 0,35 A. Quelle masse
d’alumine a été déposée ?
15.4 Électrozingage
Un dépôt électrolytique de zinc est utilisé dans l’industrie automobile pour protéger les tôles métalliques
en acier contre la corrosion. Pour que la protection soit
efficace, il faut disposer 40,0 g de zinc par mètre carré.
On désire recouvrir les deux faces d’une plaque d’acier
de dimensions 2,00 m × 1,30 m. On réalise l’électrozingage avec une électrolyte de sulfate de zinc et une
électrode de zinc.
a. Quelles espèces chimiques sont présentes ? Quelles
réactions sont susceptibles de se produire aux électrodes ?
b. À quelle électrode doit-on placer la pièce d’acier
pour réaliser l’électrozingage ?
c. Sachant que l’on observe aucun dégagement gazeux
et que la masse de zinc diminue, écrire l’équation
de la réaction d’électrolyse.
d. Quelle masse de zinc doit-on déposer ? Quelle est
la durée de l’électrolyse, sachant que l’intensité du
courant électrique est maintenue à 10,0 A ?
e. Comment varie la concentration massique de l’électrolyte ?
f. Déterminer l’épaisseur du dépôt de zinc.
Données : Propriétés de l’alumine : ne conduit pas le
courant, est dissout par l’acide sulfurique.
15.3 Affinage du cuivre
Le principal minerai contenant du cuivre est la chalcopyrite. Suite à son traitement, on obtient un solide
métallique, le blister, qui contient du cuivre à 99,0 %,
les autres métaux étant le fer, le nickel, l’or et l’argent.
On réalise une électrolyse à anode soluble pour obtenir du cuivre à 99,99 %. L’électrolyte utilisée est une
solution aqueuse de sulfate de cuivre acidifiée.
L’or et l’argent constituent les boues, qui se déposent
au fond de l’électrolyseur ; les éléments fer et nickel ne
sont par réduits à la cathode.
a. Représenter l’électrolyseur ainsi que les mouvements des porteurs de charge.
b. À quelle électrode doit-on placer le blister pour purifier le cuivre ?
c. Écrire les demi-équations électroniques modélisant
les réactions susceptibles de se produire aux électrodes, ainsi que l’équation de la réaction d’électrolyse.
Donnée : µ(Zn) = 7 140 kg.m−3 .
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