Chapitre 7 L'ÉLECTROLYSE LES PILES. Sommaire. 1. L'électrolyse 2. L'électrolyse industrielle 3. Les piles hydro-électriques 1.

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1 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), CuCl 2 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), CuCl 2, est constituée d'un atome de cuivre (Cu) et de 2 atomes de chlore (Cl). Théorie chapitre 7 page 1

2 1.3.1 Dissociation des ions Préalablement à tout passage du courant, l'électrolyte dissous est dissocié en ions. L'ion Cu 2+ est un atome ayant perdu 2 électrons. Il est chargé d'électricité positive. C'est un ion positif, ou cation, Cu 2+. 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 Migration des ions Lorsque le courant passe dans l'électrolyte, l'expérience nous montre que : Les cations Cu 2+ 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» 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 (+). Théorie chapitre 7 page 2

3 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 courant électrique. Qu'observons-nous? 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 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 Théorie chapitre 7 page 3

4 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 Raffinage des métaux Le raffinage d'un métal consiste à obtenir ce métal le plus pur possible 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) 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. Théorie chapitre 7 page 4

5 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. Théorie chapitre 7 page 5

6 3.3 La pile de Leclanché (1868) 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 Symbole de la pile Fonctionnement 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 Expérience Interrupteur en position 2 : Circuit fermé. Théorie chapitre 7 page 6

7 Qu'observons-nous? Un courant traverse le circuit extérieur : la pile fournit du courant électrique. Faisons varier R : I = 100 ma tension en charge = 1,4 V se représente par U I = 200 ma = 1,3 V I = 300 ma = 1,2 V 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 ) ===> 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. Théorie chapitre 7 page 7

8 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. Théorie chapitre 7 page 8