Chapitre 7 L`ÉLECTROLYSE – LES PILES

Chapitre 7
L'ÉLECTROLYSE – LES PILES
Sommaire
– 1. L'électrolyse
– 2. L'électrolyse industrielle
– 3. Les piles hydro-électriques
1. L'ÉLECTROLYSE
1.1 Électrolyse du chlorure de cuivre (II), CuCl2
Expérience
Deux électrodes en graphite reliées aux bornes d'un générateur
plongent dans les deux branches d'un tube en U contenant une solution
de chlorure de cuivre (II).
Nous observons dans la solution de chlorure de cuivre :
– à l'anode (borne +) : il se dégage un gaz, reconnaissable à son odeur et à sa
propriété de décolorer l'encre, c'est du chlore.
– à la cathode (borne -) : il se dépose du cuivre.
1.2 Définition
Une électrolyte est une substance susceptible d'être décomposée en solution (mélange
homogène de 2 ou plusieurs sortes de molécules) par passage du courant électrique.
1.3 Mécanisme de l'électrolyse
Une molécule de chlorure de cuivre (II), CuCl2, est constituée d'un atome de cuivre (Cu)
et de 2 atomes de chlore (Cl).
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1.3.1 Dissociation des ions
Préalablement à tout passage du courant, l'électrolyte dissous est
dissocié en ions.
L'ion Cu2+ est un atome ayant perdu 2 électrons. Il est chargé
d'électricité positive. C'est un ion positif, ou cation, Cu2+.
L'ion Cl- est un atome ayant capté un des électrons du Cu. Il est donc
chargé d'électricité négative. C'est un ion négatif, ou anion, Cl-.
1.3.2 Migration des ions
Lorsque le courant passe dans l'électrolyte, l'expérience nous montre
que :
Les cations Cu2+ se dirigent vers la cathode (-). D'où leur nom de
« cations ».
Les anions Cl- se dirigent vers l'anode (+). D'où leur nom de « anions ».
1.3.3 Neutralisation des ions
Au contact de la cathode (–) plongeant dans l'électrolyte, chaque cation Cu 2+ a donc
capté au générateur 2 électrons qu'il avait perdus et est redevenu un atome
électriquement neutre.
Le cuivre (électriquement neutre) se dépose à la cathode (-).
Au contact de l'anode (+) plongeant dans l'électrolyte, chaque anion Cl - a donc 1 électron
et est redevenu un atome électriquement neutre. Une molécule de gaz chlore Cl 2
(électriquement neutre) se dégage à l'anode (+). Ces électrons :
– sont captés par la borne positive à l'extérieur du générateur,
– puis dans le générateur, ils se dirigent vers la borne négative,
– de là, ils retournent à la cathode (-) plongeant dans l'électrolyte.
1.4 Conclusion
En général, lors de l'électrolyse d'une solution d'un sel métallique :
– Le métal se dépose à la cathode (-),
– Un gaz se dégage à l'anode (+).
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2. L'ÉLECTROLYSE INDUSTRIELLE
2.1 Expérience
L'électrolyte est constitué de sulfate de cuivre.
L'anode est en cuivre.
La cathode est en fer.
Faisons
passer
un
Qu'observons-nous ?
courant
électrique.
La tige en fer se recouvre progressivement de
cuivre. La tige de cuivre s'amincit.
2.2 Conclusion
Il y a transport de cuivre de la tige en cuivre (anode) vers la tige en fer (cathode).
2.3 Applications
2.3.1 Galvanisation
La galvanisation consiste à recouvrir des objets d'une couche mince de métal pour :
– les protéger de l'oxydation (chromage, cuivrage, …)
– leur donner une présentation luxueuse (argenture des couverts, des plats,...)
Cuivrage électrolytique.
Source : pageperso-orange.fr/alain.vassel/electrochimie.htm
Galvanisation à chaud par immersion dans un bain de zinc fondu.
Source : galvazinc.com
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2.3.2 Galvanoplastie
La galvanoplastie consiste à reproduire des objets par dépôt de métal. Soit à reproduire
un disque microsillon. On fabrique un moule recouvrant le disque original de matière
plastique. Ce moule est ensuite enduit d'un conducteur. On recouvre le moule d'une
mince couche de cuivre par une électrolyse. Cette mince couche de cuivre sera
consolidée par coulage d'un métal au dos. La matrice à reproduire les disques est ainsi
prête.
Le moule de résine est enduit de graphite pour le rendre conducteur.
Source : CNDP et la cinquième.
2.3.3 Raffinage des métaux
Le raffinage d'un métal consiste à obtenir ce métal le plus pur possible.
2.3.4 Électrométallurgie
L' électrométallurgie consiste à extraire le métal d'un minerai par l'électrolyse.
Exemple : pour l'aluminium, on réalise une électrolyse de sels de l'aluminium extrait de la
bauxite (minerai).
2.3.5 Fabrication de certains produits
L'oxygène s'obtient par l'électrolyse de l'eau.
L'hydrogène s'obtient par l'électrolyse de l'eau, d'une solution de NaCl.
Le chlore s'obtient par l'électrolyse d'une solution de NaCl.
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3. LES PILES HYDRO-ÉLECTRIQUES
3.1 Expériences
Plonger des électrodes de même nature
ou de natures différentes dans divers
électrolytes.
Modifier l'écartement des électrodes.
Modifier les dimensions des électrodes.
Modifier les dimensions des récipients.
Modifier la nature de l'électrolyte..
Qu'observons-nous ?
Il n'apparaît une tension électrique ou d.d.p. que lorsque les électrodes sont de natures
différentes. La grandeur de la d.d.p. ne dépend que de la nature de l'électrolyte et des
électrodes.
Conclusions
Deux électrodes de natures différentes plongeant dans un électrolyte constituent un
générateur de courant électrique. On le nomme «pile».
La pile transforme de l'énergie chimique en énergie électrique.
La d. d. p. qui existe :
– dépend :
– a) de la nature de l'électrolyte,
– b) de la nature des électrodes,
– est indépendante :
– a) de la distance entre électrodes,
– b) des dimensions des électrodes,
– c) des dimensions de la cuve.
3.2 La pile de Volta (1800)
Elle est constituée alternativement d'un empilement de rondelles
de Cu et de Zn séparées par des morceaux de feutre imbibé d'une
solution d'acide sulfurique étendue d'eau. Il a également existé
de nombreuses autres piles, mais actuellement une seule subsiste
sur le marché. C'est la pile de Leclanché.
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3.3 La pile de Leclanché (1868)
3.3.1 Description
Une électrode en carbone et une autre en zinc
amalgamé (zinc traité au mercure) plongent
dans une solution à 20 % de chlorure
d'ammonium dans l'eau.
L'électrode en carbone est entourée d'un
mélange de dioxyde de manganèse et de
carbone pulvérulent maintenu dans un vase en
porcelaine poreuse.
3.3.2 Symbole de la pile
3.3.3 Fonctionnement
3.3.3.1 Expérience
Réaliser un circuit comportant une pile, un rhéostat, un ampèremètre et un voltmètre
de très grande résistance.
Interrupteur en position 1 : Circuit ouvert.
Qu'observons-nous ?
Il ne circule aucun courant dans le circuit extérieur : la pile est à vide.
Tension à vide = 1,5 V se nomme force électromotrice (f.é.m.) et se représente par E.
3.3.3.2 Expérience
Interrupteur en position 2 : Circuit fermé.
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Qu'observons-nous ?
Un courant traverse le circuit extérieur : la pile fournit du courant électrique.
Faisons varier R :
I = 100 mA
I = 200 mA
I = 300 mA
tension en charge
= 1,4 V se représente par U
= 1,3 V
= 1,2 V
3.3.4 Cause de cette différence de tension
Le courant circule à l'intérieur du générateur, de la borne en zinc (-) à la borne au
carbone (+), à travers l'électrolyte qui présente une certaine résistance interne r. Le
carbone pulvérulent, mélangé au dioxyde de manganèse qui est peu conducteur, réduit
cette résistance interne.
C'est le passage du courant à l'intérieur de la pile qui produit une chute de tension
interne : u = r * I
E>U
E–U=u
E–U=r*I
===>
E=U+r*I
E=R*I+r*I
E=I(R+r)
===>
3.3.5 Polarisation
Au bout de quelques minutes de fonctionnement la f.é.m. de la pile baisse rapidement.
Ceci s'explique par la présence des bulles d'hydrogène qui forment une gaine isolante
autour de la lame de cuivre. On dit que la pile est polarisée.
Si on essuie la plaque de cuivre, le fonctionnement redevient normal. Pratiquement on
empêchera la formation des bulles d'hydrogène en ajoutant à l'électrolyte un corps
avide d'hydrogène (de l'eau oxygénée, par exemple). Ce corps est appelé dépolarisant.
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3.4 La pile sèche
La pile sèche est une modification de la pile de Leclanché :
– L'électrode négative (bac en zinc amalgamé) sert de récipient.
– L'électrolyte a été solidifié par constitution d'une pâte gélatineuse de chlorure
d'ammonium.
– Le vase poreux est remplacé par un sac en toile contenant le dépolarisant.
– L'électrode positive en carbone est protégé par un capuchon en laiton.
– Une rondelle isolante ferme le tout.
3.5 Usages
Les piles sont utilisées pour fournir des courants peu intenses.
Horloges électriques, lampe de poche, poste de radio, appareils auditifs, …
Une fois constituée la pile peut fournir de l'énergie électrique. Déchargée, elle est
inutilisable, on la jette. En fonctionnement, l'élément consomme du zinc et du chlorure
d'ammonium.
Lors de l'augmentation de la dimension d'un élément :
– la f.é.m. reste constante,
– la capacité (quantité d'électricité disponible) augmente,
– la résistance interne diminue.
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