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Fiche explicative de la leçon : Usages des cellules électrolytiques Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les conditions et les applications de l’électrolyse des sels fondus et des solutions salines.

Plus précisément, nous examinerons le rôle des cellules électrolytiques dans la purification du cuivre et dans la galvanoplastie.

Une cellule électrolytique est un type de cellule électrochimique où une source d’alimentation externe entraîne une réaction. Nous pouvons utiliser l’électricité pour briser des substances, les transformant ainsi en corps pur ou en d’autres produits chimiques.

Définition : L’électrolyse

L’électrolyse est un type de processus où un courant électrique passe à travers un liquide ou une solution contenant des ions, ce qui provoque la décomposition des substances s’y trouvant.

Pour maintenir une réaction électrolytique, nous avons besoin d’un circuit complet;nous devons être en mesure d’obtenir de manière continue de l’énergie à partir de la batterie ou de l’alimentation. Pour ce faire, nous avons besoin que nos ions puissent se déplacer.

Dans les cellules électrolytiques, nous utilisons une source de courant continu, ce qui signifie que les électrodes sont soit toujours positives soit négatives.

Une substance ou un mélange qui conduit de l’électricité et peut subir une électrolyse est appelé électrolyte.

Définition : L’électrolyte

Un électrolyte est un type de substance ou de mélange qui contient des ions mobiles qui peuvent subir une électrolyse.

Ainsi, notre électrolyte doit être une solution saline ou un sel fondu.

Les noms anode et cathode se référent soit à l’électrode d’où provient le flux d’électrons (anode), soit à l’électrode vers lequel ce dernier se dirige (cathode).

Les anions de l’électrolyte se dirigent vers l’anode et sont oxydés. Les cations de l’électrolyte se dirigent vers la cathode et sont réduits.

Définition : L’anode

Une anode est l’électrode d’une cellule électrochimique qui fournit des électrons au circuit externe.

Dans une cellule électrolytique, l’anode est l’électrode positive.

Définition : La cathode

Une cathode est l’électrode d’une cellule électrochimique qui accepte les électrons du circuit externe.

Dans une cellule électrolytique, la cathode est l’électrode négative.

Ce schéma montre le mouvement des cations vers la cathode et des anions vers l’anode.

Une fois que les cations ont atteint la cathode, ils peuvent être réduits en gagnant des électrons.

Une fois que les anions ont atteint l’anode, ils peuvent être oxydés en perdant des électrons.

L’une des utilisations les plus importantes de l’électrolyse est la production de cuivre pur. Le cuivre est utilisé pour fabriquer des circuits, des fils, des tuyaux et des unités de refroidissement en raison de sa conductivité électrique et thermique élevée. Il est également malléable et ductile.

Il y a plusieurs façons d’extraire le cuivre de ses minerais;mais ici, nous allons nous concentrer sur l’étape de purification finale. Cette étape de purification a lieu après l’extraction du minerai de cuivre du sol suivie par sa transformation en plaques de cuivre impur et en une solution de sulfate de cuivre (II):

Les plaques de cuivre impur obtenues par ce procédé ne sont pas suffisamment pures pour une utilisation dans l’électronique et dans d’autres applications critiques. Des plaques de cuivre plus pur peuvent être obtenues par électrolyse.

Les plaques de cuivre impur sont placées dans une solution de sulfate de cuivre(II) et connectées à la borne positive d’une alimentation externe. L’extrémité négative de l’alimentation est connectée à une plaque de cuivre pur située dans le même bain de sulfate de cuivre. Nous ne regarderons pas comment cette plaque de cuivre pur est initialement fabriquée.

L’essentiel est que la présence de l’alimentation électrique entraîne deux réactions, l’une à l’anode et l’autre à la cathode. Comme résultat combiné de ces deux réactions, le cuivre quitte l’anode et recouvre la cathode. Les impuretés sont abandonnées.

Voici le résultat final:

  • L’anode en cuivre impur perd de la masse à mesure que le cuivre se dissout dans l’électrolyte et que les impuretés se détachent.
  • La cathode en cuivre pur gagne de la masse lorsque le cuivre de l’électrolyte vient le recouvrir.
  • Les impuretés solubles restent dans l’électrolyte.
  • Des impuretés insolubles restent dans l’anode ou tombent au fond du récipient de réaction.

Nous pouvons regarder cela plus en détail. Dans ce processus, l’anode n’est pas inerte, elle est réactive. Le cuivre solide de l’anode en cuivre impur subit l’oxydation suivante:

Certaines impuretés seront également oxydées (par exemple, le zinc et le fer) et passeront dans l’électrolyte:Zn()Zn()+2esaq2+Fe()Fe()+2esaq2+

Les impuretés les moins réactives, comme l’argent et l’or, ne seront pas du tout oxydées et tomberont au fond de la cellule.

À la cathode, c’est l’inverse qui se passe:

Les ions cuivre dans l’électrolyte sont réduits en cuivre métallique, déposé sur la cathode.

Bien que ce processus ne produise pas de cuivre pur à 100%, il produit du cuivre qui est sensiblement plus pur que celui de départ.

Toutefois, ce procédé de galvanoplastie n’appartient pas exclusivement au cuivre.

Exemple 1: Identifier les produits de l’électrolyse du sulfate de cuivre(II) en utilisant des électrodes en graphite ou en cuivre

Un étudiant effectue deux expériences d’électrolyse en utilisant du sulfate de cuivre(II) comme électrolyte. Il utilise des électrodes en graphite dans la première expérience et des électrodes en cuivre dans la deuxième expérience. Quelle ligne du tableau décrit correctement ce qui se passe aux électrodes dans les deux expériences?

Expérience 1:Électrodes en graphiteExpérience 2:Électrodes en cuivre
Anode (+)Cathode ()Anode (+)Cathode ()
Ligne 1De l’oxygène est produit.De l’hydrogène se forme.L’anode se dissout.Du cuivre se forme.
Ligne 2L’anode se dissout.Du cuivre se forme.De l’oxygène est produit.Du cuivre se forme.
Ligne 3De l’oxygène est produit.Du cuivre se forme.L’anode se dissout.Du cuivre se forme.
Ligne 4L’anode se dissout.Du cuivre se forme.L’anode se dissout.Du cuivre se forme.
Ligne 5Du cuivre se forme.De l’oxygène est produit.Du cuivre se forme.L’anode se dissout.

Réponse

Voici les scénarios qui nous ont été donnés.

Dans l’expérience 1, nous avons des électrodes inertes;le graphite ne réagit pas avec la solution de sulfate de cuivre dans ces conditions. Ainsi, nous nous attendons à ce que la solution de sulfate de cuivre soit électrolysée;le cuivre est moins réactif que l’hydrogène, donc nous nous attendons à ce que les ions cuivre en solution soient réduits à la cathode en graphite, se transformant en cuivre métallique.

À l’anode, comme l’anion sulfate n’est pas un halogénure, on s’attend à ce que de l’oxygène soit produit par l’oxydation des ions hydroxyde de l’eau.

Dans l’expérience 2, nous avons une anode réactive. L’alimentation électrique externe éloigne les électrons de l’anode, transformant le cuivre métallique en ions cuivre, qui vont dans la solution.

Du côté de la cathode, les ions cuivre de la solution seront réduits pour former du cuivre métallique solide. Le résultat global est que l’anode en cuivre va se dissoudre dans la solution et la cathode en cuivre sera recouverte de plus de cuivre.

Par conséquent, dans l’expérience 1, on s’attend à ce que de l’oxygène se forme à l’anode et que du cuivre se forme à la cathode. Dans l’expérience 2, nous nous attendons à ce que l’anode se dissolve dans la solution et que la cathode soit plaquée de cuivre.

La réponse est la ligne 3.

Certains matériaux extrêmement utiles sont fabriqués en plaquant un métal sur une pièce (tel un enjoliveur). Le plaquage peut être réalisé en immergeant une pièce dans du métal fondu, en pulvérisant (bombardant une cible métallique avec des ions provenant d’un plasma pour que des morceaux tombent sur la pièce), ou en évaporant le métal et en le laissant se condenser sur la pièce. Alors que tous ces éléments sont utiles à leur manière, l’une des méthodes les plus courantes est la galvanoplastie.

Le processus de galvanoplastie est simple:

  1. Plongez la partie que vous voulez galvaniser dans un électrolyte qui contient les ions du métal que vous voulez déposer sur la cathode par électrolyse. Par exemple, si vous voulez recouvrir quelque chose de cuivre, vous pouvez utiliser une solution de sulfate de cuivre(II) comme électrolyte.
  2. Reliez la pièce à la borne négative d’une alimentation électrique. Pendant l’électrolyse, la partie qui sera plaquée par électrolyse, servira de cathode. La surface qui doit être plaquée par électrolyse doit être conductrice de courant électrique.
  3. Introduisez un morceau du métal que vous souhaitez plaquer par électrolyse avec, par exemple, du cuivre. Ce dernier doit être immergé de sorte qu’une grande partie de la surface soit en contact avec l’électrolyte.
  4. Reliez ce morceau de métal à la borne positive de l’alimentation électrique où il agira en tant qu’anode pendant l’électrolyse.
  5. Allumez l’alimentation électrique.

Si le métal est compatible avec la pièce, la pièce sera plaquée avec le métal dont l’anode est constituée. Plus la galvanoplastie dure longtemps, plus le revêtement devient épais.

Il y a une chose importante dont on doit tenir compte en galvanoplastie:le métal qui est plaqué sur la pièce est généralement plus réactif que les métaux dont la pièce est constituée. Si nous essayons de revêtir du cuivre avec de l’argent en immergeant le cuivre dans une solution de nitrate d’argent, la réaction se produira spontanément (le cuivre réagira avec les ions d’argent en solution sans l’aide d’une alimentation électrique). Il y aura toujours un revêtement d’argent sur le cuivre restant, mais il sera très difficile de contrôler la qualité et l’épaisseur d’un tel revêtement.

Si la réaction entre le métal et la solution est suffisamment lente, nous pouvons toujours réaliser une galvanoplastie. Cela arrive généralement lorsque les métaux ont des réactivités très semblables.

Voici un schéma d’une installation de galvanoplastie.

Si, par exemple, nous voulons revêtir une cloche de cuivre avec du zinc, nous pouvons utiliser la galvanoplastie. Le cuivre est moins réactif que le zinc, alors cela devrait très bien marcher.

Si l’alimentation est correctement mise en place, deux choses vont arriver lors de la mise sous tension.

À l’anode, le zinc métallique sera oxydé pour former des ions de zinc, qui iront dans la solution. L’anode en zinc perdra de la masse au fur et à mesure du déroulement de l’électrodéposition:

À la cathode, la cloche de cuivre sera revêtue de zinc à mesure que les ions de zinc en solution sont réduits pour former du zinc métallique:

Exemple 2: Identifier la configuration convenable pour l’électrodéposition du cuivre sur le fer

Quel schéma représente le montage approprié pour le plaquage électrolytique de la couronne en fer avec du cuivre?

Réponse

Dans les quatre montages, nous pouvons voir deux solutions bleues et deux solutions vertes. Les solutions bleues contiennent du sulfate de cuivre(II) et les solutions vertes contiennent du sulfate de fer(II).

Si nous voulons électrodéposer un métal sur la couronne, les ions de ce métal doivent provenir de la solution. Si nous voulons galvaniser la couronne en fer avec du cuivre, nous avons besoin d’une solution d’ions de cuivre. Par conséquent, nous pouvons rejeter toute configuration qui utilise du sulfate de fer(II) comme électrolyte.

Dans les configurations avec une solution de sulfate de cuivre(II) comme électrolyte, la couronne en fer est reliée à la borne négative de la source de courant (ce qui en fait la cathode). Dans les autres, la couronne en fer est l’anode.

Lors du dépôt électrolytique, des ions métalliques chargés positivement de la solution gagneront des électrons au niveau de la cathode, se transformant en atomes de métal solide. Si on veut plaquer électrolytiquement la couronne, celle-ci doit être la cathode.

Par conséquent, la bonne configuration est la réponse C:celle avec une anode en cuivre (fournissant des ions de cuivre frais à l’électrolyte), une solution de sulfate de cuivre(II) comme électrolyte et la couronne en fer comme cathode.

On peut alors se poser la question suivante:pourquoi voudrait-on revêtir un métal par un autre?

Un revêtement de surface d’un métal particulier ou d’un mélange de métaux peut améliorer la résistance à la corrosion, l’apparence, la valeur économique et la fonction mécanique et peut modifier les propriétés chimiques et physiques. Prenons les exemples suivants:

  • L’argent plaqué or a la même apparence que l’or massif, mais il est vendu à une fraction du prix de l’or. Les bijoux peuvent également être plaqués avec du platine et d’autres métaux nobles.
  • Le fer zingué ne rouille pas et la couche d’oxyde de zinc sur la surface ne se décolle pas comme la rouille. Au contraire, cette couche forme une barrière durable contre la corrosion.
  • L’aluminium peut être plaqué sur des pièces métalliques en une couche épaisse pouvant être teintée pour obtenir des couleurs brillantes. On dit des pièces ainsi traitées qu’elles ont une finition en aluminium anodisé.
  • Les contacts électriques peuvent être plaqués or pour améliorer leur conductivité électrique et leur résistance à la corrosion.

Exemple 3: Identifier une raison non valable, parmi un ensemble de raisons, pour plaquer des couverts par électrolyse

Les couverts en métal peuvent être revêtus d’argent. Lequel des choix suivants n’est pas une raison pour plaquer par électrolyse des couverts?

  1. l’amélioration de l’apparence des couverts
  2. la réduction de la masse des couverts
  3. la protection des couverts contre les dégâts
  4. le prolongement de la durée de vie des couverts
  5. la protection des couverts contre la corrosion

Réponse

Les couverts en métal peuvent être fabriqués à partir de métaux bon marché qui se corrodent, comme le fer ou l’acier. Ce serait certainement un avantage de revêtir les cuillères avec des métaux qui ne se corrodent pas aussi facilement. Cela rendrait les couverts plus sûrs et plus durables.

Un revêtement (peut-être en un métal plus dur) qui protège les couverts contre les dommages serait également un avantage. Les couverts dont la surface est plus dure dureraient plus longtemps.

Bien sûr, les couverts peuvent être faits de métaux plus chers, comme l’acier inoxydable ou l’argent. L’apparence des couverts est souvent très importante pour leurs propriétaires, de sorte que la galvanoplastie est utilisée pour ajouter une finition plus attrayante ou pour rafraîchir l’apparence des anciens couverts.

Le seul élément ici qui ne constitue pas un avantage est la réduction de la masse des couverts. Premièrement, l’électrodéposition implique l’ajout d’une fine couche de matériau, de sorte que la masse augmente légèrement. Deuxièmement, il existe des moyens bien moins chers de réduire la masse des couverts que les techniques électrochimiques.

La réponse est B:la réduction de la masse des couverts.

Points clés

  • Les cellules électrolytiques peuvent être utilisées pour la purification du cuivre et pour l’électrodéposition d’un métal sur une pièce conductrice.
  • Dans le processus de purification du cuivre, la cathode est en cuivre pur et l’anode est un échantillon de cuivre impur.
  • Pendant la purification du cuivre, l’anode se dissout progressivement au fur et à mesure que le cuivre est plaqué sur la cathode, augmentant la taille de la cathode en cuivre pur et laissant les impuretés derrière.
  • Pendant le processus de galvanoplastie, la partie à galvaniser est connectée en tant que cathode. L’anode est le type de métal que vous souhaitez plaquer et les deux électrodes doivent être immergées dans un électrolyte qui contient également des ions du type de métal que vous souhaitez plaquer.
  • La galvanoplastie est utile pour conduire à des améliorations visuelles, chimiques et physiques. Par exemple,
    • des métaux moins chers peuvent être revêtus de métaux chers pour obtenir le même résultat qu’avec des métaux chers purs, avec un coût inférieur;cela peut être fait pour des raisons esthétiques (par exemple, avec des bijoux) ou pour d’autres raisons (par exemple, pour rendre les pièces lisses, avec moins de frottement lors de leur mouvement),
    • des métaux plus corrosifs peuvent être revêtus de métaux moins corrosifs, produisant des pièces qui résistent plus longtemps à la corrosion,
    • des revêtements spéciaux peuvent être combinés avec des colorants afin d’obtenir des couleurs extraordinaires (par exemple, des revêtements en aluminium anodisé).

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