Applications de l`électrolyse

Chapitre 15
Applications de l’électrolyse
R´  R´ ´
Électrolyse L’électrolyse est la transformation électro-
chimique forcée qui se produit lorsqu’un géné-
rateur 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.
Le Faraday Le Faraday est la charge d’une mole d’él-
ectrons :
1F=NA· |−e|=9,65·104C.mol−1
Quantité d’électricité La quantité d’électricité Qqui
a circulé pendant la durée ∆tde l’électrolyse est
reliée à l’intensité Idu courant continu débité par
l’alimentation et à la quantité de matière d’élec-
trons échangés n(e−) :
Q=I·∆t=n(e−)· F
Protection de l’acier On dépose sur une pièce d’acier
à protéger un métal M (étain, zinc comme lors
du TP no18, 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 ca-
thode est :
Mn+
(aq) +n e−=M(s)
Production de l’aluminium Cette application, parti-
culièrement importante, est tombée au bac natio-
nal en 2005. Elle se décompose en deux étapes :
1. purification de la bauxite, minerai d’alu-
minium, pour obtenir de l’alumine
Aℓ2O3(s) pure ;
2. électrolyse de l’alumine en aluminium Aℓ(s).
Anode soluble Ce moyen d’affinage électrolytique
(ou purification d’un métal par électrolyse) est
aussi particulièrement important.
M  ´
Électrolyse
Anode
Cathode
Protection des métaux
Anode soluble
Affinage électrolytique
E
Données : couples oxydant-réducteur utiles pour
les exercices : (Aℓ3+/Aℓ) ; (O2/O2−) ; (H+/H2) ;
(O2/H2O) ; (Cu2+/Cu) ; (Ni2+/Ni) ; (Fe2+/Fe) ;
(Au3+/Au) ; (Ag+/Ag) ; (Zn2+/Zn).
15.1 Électrolyse de l’alumine
L’alumine est un composé solide ionique formé d’ions
aluminium (III) Aℓ3+et d’ions oxyde O2−. Sa tempéra-
ture de fusion est très élevée (2 040oC). L’addition de
cryolithe (Na2AℓF6) à l’alumine abaisse la température
de fusion du mélange à 950oC. 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 car-
bone, soumises à une tension de 4 V. L’intensité du
courant peut atteindre 300 kA, maintenant ainsi le mé-
lange en fusion à 950oC.
L’aluminium obtenu est liquide Aℓ(ℓ).
a. Quel est l’intérêt d’utiliser des électrodes en car-
bone ?
b. Quel effet explique que le mélange alumine +cryo-
lithe soit maintenu à sa température de fusion de
950oC, sans chauffage extérieur ?
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 :
P´eℓ=UI et E´eℓ=P´eℓ·∆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 alumi-
nium (III) Aℓ3+(aq), qui réagit avec l’eau pour donner
l’alumine selon la réaction d’équation :
1

2 Aℓ3+(aq) +3 H2O(ℓ)=Aℓ2O3(s) +6 H+(aq)
a. Écrire les équations des réactions ayant lieu aux
électrodes, ainsi que l’équation globale de l’électro-
lyse.
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 ?
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 chal-
copyrite. 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 obte-
nir 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 mouve-
ments des porteurs de charge.
b. À quelle électrode doit-on placer le blister pour pu-
rifier le cuivre ?
c. Écrire les demi-équations électroniques modélisant
les réactions susceptibles de se produire aux élec-
trodes, ainsi que l’équation de la réaction d’électro-
lyse.
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 ?
15.4 Électrozingage
Un dépôt électrolytique de zinc est utilisé dans l’in-
dustrie 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’électrozin-
gage 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 élec-
trodes?
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’élec-
trolyte ?
f. Déterminer l’épaisseur du dépôt de zinc.
Donnée :µ(Zn) =7 140 kg.m−3.
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