Chapitre 15 Applications de l’électrolyse Ŕ Ŕ́ 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 . ⋆⋆ ⋆ 2