Fiche explicative de la leçon: Électrolyse de solutions salines Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendrons comment prédire les produits de l’électrolyse de solutions salines aqueuses en utilisant la série de réactivité.

Certaines substances chimiques sont si stables qu’il est très difficile de trouver des produits chimiques qui permettent de les décomposer. Cependant, nous pouvons utiliser des champs électriques et des courants électriques qui sont beaucoup plus puissants que des composés chimiques seuls.

« L’électrolyse » est une combinaison de « électro » (qui se réfère à électrons/électricité) et de « lyse » (qui signifie libérer ou dissocier). Nous pouvons utiliser l’électricité pour décomposer des substances, en les transformant en substances élémentaires pures ou en d’autres produits chimiques.

Si nous effectuons une électrolyse, il se produira généralement une réaction endothermique – les produits seront moins stables que les réactifs. Cette différence d’énergie est fournie par une batterie ou une alimentation électrique qui permettra à la réaction d’avoir lieu.

Dans cette fiche explicative, nous nous concentrerons exclusivement sur l’électrolyse des solutions salines, comme .

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

Dans les cellules électrolytiques, nous utilisons une source d’alimentation en courant continu, ce qui signifie que les électrodes sont toujours soit positives soit négatives. Avec une alimentation en courant alternatif, les électrodes basculent entre positive et négative plusieurs fois par seconde (ce qui n’est pas très utile si vous voulez collecter les produits de décomposition à partir de l’anode ou de la cathode uniquement).

Au lieu d’une alimentation en courant continu, nous pourrions utiliser une pile ou une batterie.

À l’intérieur de la cellule électrolytique, nous avons besoin d’un approvisionnement en ions à chaque électrode afin de pouvoir fabriquer les produits. Cela n’arrivera pas si les ions ne peuvent pas se déplacer.

Une façon de rendre les ions mobiles est de les dissoudre dans l’eau.

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

En pratique, certains sels sont plus solubles que d’autres. Les sels sont des composés ioniques, avec des liaisons ioniques fortes entre leurs cations et leurs anions. Les composés ioniques conduisent l’électricité lorsqu’ils sont fondus ou en solution aqueuse, car les ions mobiles sont capables de transporter un courant électrique. Parfois, les cations et les anions unis entre eux sont plus stables que s’ils étaient dissous, et nous pourrions décrire les sels de ce type comme des sels insolubles. Cependant, la plupart des sels simples que nous rencontrerons ici seront solubles dans une certaine mesure.

On tend à exprimer la solubilité des sels en grammes (ou en milligrammes) pour 100 mL de solvant ; cela signifie que si nous avons 100 mL de solvant, nous pouvons y dissoudre au maximum cette masse de sel. À ce stade, la solution serait considérée comme saturée.

Voici une sélection de sels avec leurs solubilités.

Lorsqu’une solution saline subit une électrolyse, l’anion peut être oxydé et le cation peut être réduit. Cependant, la présence d’eau rend les choses un peu plus complexes. De plus, les matériaux avec lesquels les électrodes sont fabriquées peuvent faire une grande différence.

Lorsque nous faisons l’électrolyse d’un simple sel fondu, comme le chlorure de sodium, il est très facile de prévoir quels seront les produits : 

Les produits seront les formes élémentaires de l’anion et du cation (sodium métallique et dichlore gazeux dans ce cas).

Cependant, lors de l’électrolyse d’une solution, l’eau elle-même peut être électrolysée : 

Ainsi, lors de l’électrolyse d’une solution de chlorure de sodium, il semble qu’il pourrait y avoir quatre produits formés : 

Cependant, nous savons que le sodium est extrêmement réactif. Si, d’une certaine façon, du sodium se forme, il réagira immédiatement avec l’eau, produisant de l’hydroxyde de sodium : 

Ceci élimine le sodium de notre liste de produit, et suggère que du dihydrogène devrait être formé à la place : 

Les molécules d’eau peuvent se dissocier en ions hydrogène et en ions hydroxyde : 

Ainsi, nous pouvons écrire la production de dihydrogène gazeux comme la réduction des ions hydrogène qui se produit à la cathode : 

Comme pour le chlore et l’oxygène, les ions d’hydroxyde migrent vers l’électrode positive (l’anode) où l’oxydation a lieu. Au niveau de l’anode, il existe une compétition entre les ions hydroxyde et les ions chlorure à oxyder.

En règle générale, pour les solutions avec une concentration raisonnable d’ions chlorure, le produit principal est le dichlore gazeux. Les détails complets de ceci dépassent la portée de cette fiche explicative. Cependant, le processus global est présenté ci-dessous : 

Si, à la place de cela, les ions d’hydroxyde étaient oxydés, alors l’équation du processus serait : 

La règle générale que nous utilisons est que, lors de l’électrolyse des sels d’halogénures, l’halogène est produit. Lors de l’électrolyse d’autres sels, du dioxygène est produit.

Les raisons sont hors de la portée de cette fiche explicative.

Pour l’électrolyse d’une solution de chlorure de sodium, les produits que nous attendons sont le dichlore à l’anode et le dihydrogène à la cathode : 

Donc, pour l’électrolyse d’une solution de chlorure de sodium, nous nous attendons à ce que la réaction suive cette équation : 

La figure ci-dessous montre la cellule électrolytique complète : 

Nous pouvons appliquer ce que nous avons appris à toute solution saline simple.

En règle générale, si plus d’un type d’ion peut être oxydé, l’ion le plus réactif sera oxydé et les ions restants resteront dans l’électrolyte.

La seule autre chose dont nous avons besoin est la série de réactivité, qui nous indique généralement à quel point un élément pur est réactif par rapport aux autres – une version simple de la série de réactivité est illustrée ci-dessous.

Si un élément est au-dessus de l’hydrogène dans la série, du dihydrogène gazeux est produit à la cathode. Si un élément est en-dessous de l’hydrogène dans la série, alors la forme pure de cet élément est produite à la place.

Regardons quelques exemples.

Si l’on ajoute de l’acide sulfurique à l’eau, nous ne retrouverons pas de soufre (), de sulfure d’hydrogène () ou des oxydes de soufre (, ) à la fin. Nous nous retrouverons avec les mêmes produits que ceux de l’électrolyse de l’eau pure (, ). En effet, l’acide sulfurique rend l’eau conductrice, ce qui facilite son électrolyse.

Les réactions secondaires qui peuvent survenir sont particulièrement importantes lorsqu’il s’agit de choisir les matériaux à partir desquels les électrodes doivent être fabriquées.

Il est préférable que les électrodes ne réagissent pas avec l’eau ou le sel dissous. Par exemple, il ne faut pas que les électrodes se rouillent, de ce fait le fer serait un mauvais choix.

Les métaux non réactifs comme le platine sont parfaits pour cela ; le platine n’est pas réactif, mais il est très cher.

D’un autre côté, le carbone est plus réactif, et il est très bon marché. Le carbone est encore plus haut que l’hydrogène dans la série de réactivité, donc, théoriquement, le carbone va réagir avec l’eau pour produire du dioxyde de carbone et avec des sels pour produire des composés qui contiennent du carbone. En pratique, nous n’avons pas à nous préoccuper de cela car les énergies d’activation pour ces réactions sont si élevées que des températures beaucoup plus élevées seraient nécessaires. Lors de l’électrolyse d’une solution saline, les températures ne dépasseraient pas le point d’ébullition de la solution (qui est proche de ).

Les électrodes faites de métaux plus réactifs vont causer des problèmes. Par exemple, une cathode en zinc réagit avec des sels de cuivre, produisant des sels de zinc et du cuivre métallique, même sans alimentation électrique pour favoriser la réaction.

Lorsque nous parlons de la réactivité ou de l’inertie du matériau de l’électrode, nous prenons souvent en compte les réactifs avec lesquels nous allons l’utiliser. Si le matériau ne réagit pas avec ces réactifs particuliers, nous considérons que l’électrode fabriquée à partir de ce matériau est inerte. Pour les réactions d’électrolyse de solutions salines, nous pouvons considérer que les électrodes en carbone sont inertes.