Fiche explicative de la leçon: Electrolyse de sels fondus Chimie • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les composants d’une cellule électrolytique, et à prédire les produits de l’électrolyse de sels fondus.

Certaines substances sont si stables qu’il est très difficile de trouver des produits chimiques qui vont les transformer. En revanche, on peut utiliser des champs électriques et des courants électriques, qui sont beaucoup plus puissants que des molécules individuelles.

« Électrolyse » est une combinaison de « électro » (se référant à électrons / électricité) et de « lyse » (qui signifie « libérer » ou « séparer »). On peut utiliser l’électricité pour décomposer des substances, en les transformant en substances élémentaires pures ou en d’autres produits chimiques.

L’électrolyse a généralement pour but d’effectuer une réaction endothermique non spontanée, dans laquelle les produits sont moins stables que les réactifs. Cette différence d’énergie est fournie par la batterie ou l’alimentation électrique qui pousse la réaction redox à se produire.

Dans cette fiche explicative, nous allons nous concentrer exclusivement sur l’électrolyse des sels fondus, comme .

Pour maintenir une réaction électrolytique, nous avons besoin d’un circuit complet ; le système doit être continuellement approvisionné en énergie, à partir de la batterie ou de l’alimentation. Pour cela, les ions doivent avoir la possibilité de se déplacer.

Dans les cellules électrolytiques, on utilise une source d’alimentation en courant continu, ce qui signifie que chaque électrode est toujours soit positive, soit négative. Avec une alimentation en courant alternatif, les électrodes changeraient de signe plusieurs fois par seconde (ce qui n’est pas très utile si vous voulez collecter les produits de décomposition au niveau de l’anode ou de la cathode uniquement).

Au lieu d’une alimentation en courant continu, on peut utiliser une pile ou une batterie.

À l’intérieur de la cellule électrolytique, on veut que chaque électrode soit continuellement approvisionnée en ions pour pouvoir former les produits. Ce ne sera pas le cas si les ions ne peuvent pas bouger.

Le moyen le plus évident de rendre les ions mobiles est de les rendre liquides.

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

En pratique, il peut être étonnamment difficile de faire fondre un sel. Les sels sont des composés ioniques et ils tendent à avoir des points de fusion très élevés en raison des fortes liaisons ioniques entre leurs cations et leurs anions.

Voici les points de fusion de certains sels courants.

Quand on fait l’électrolyse d’un sel fondu simple, composé de seulement deux éléments, on peut s’attendre à ce que les produits soient les formes élémentaires de l’anion et du cation : 

Celles-ci peuvent ensuite réagir avec d’autres substances présentes, mais nous y reviendrons plus tard.

Deux demi-équations correspondent à ce processus. La première est la réduction des ions lithium : 

Et la seconde est l’oxydation des ions chlorure : 

La réaction globale qui se produit dans la cellule d’électrolyse est la somme de ces deux demi-équations : 

Dans le sel fondu, les anions (ions négatifs) sont attirés par l’électrode positive, qu’on appelle l’anode. Les cations (ions positifs) sont attirés par l’électrode négative, qu’on appelle la cathode.

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—ils gagnent des électrons.

Une fois que les anions atteignent l’anode, ils peuvent être oxydés—ils perdent des électrons.

Ce schéma illustre l’ajout d’électrons aux cations au niveau de la cathode (réduction) et le retrait d’électrons des anions au niveau de l’anode (oxydation).

La réaction à la cathode peut impliquer plus d’un électron. Les cations les plus couramment impliqués dans l’électrolyse sont des cations métalliques, le produit est donc un métal sous sa forme élémentaire : 

Voici la demi-réaction à la cathode (réduction) : 

Et voici la demi-réaction à l’anode (oxydation) : 

Les atomes produits à l’anode et à la cathode peuvent à leur tour se combiner pour produire des amas de métal ou des molécules.

La consommation d’électrons à la cathode et la production d’électrons à l’anode, simultanément, fournit un « circuit » continu.

Ce schéma montre le circuit complet d’une cellule électrolytique.

Les noms anode et cathode se réfèrent soit à l’électrode d’où provient le flux d’électrons (anode), soit à l’électrode où va le flux d’électrons (cathode).

Exemple 3: Identifier l’anode ou la cathode dans un montage expérimental impliquant des ions mobiles

Sur le schéma ci-dessous, quelle électrode est sur la droite ? 

1. L’anode, car elle attire un anion
2. La cathode, car elle attire un anion
3. La cathode, car elle attire un cation
4. L’anode, car elle attire un cation

Réponse

Dans une cellule électrolytique, une source d’alimentation à courant continu externe (telle qu’un bloc d’alimentation DC, une batterie ou une pile) provoque la décomposition d’un électrolyte. L’extrémité positive d’une pile électrique est représentée par une ligne longue, et l’extrémité négative est représentée par une ligne courte.

Sur la figure, le côté négatif de la source d’alimentation est à droite et le côté positif est à gauche.

Dans une cellule électrolytique comme celle-ci, on s’attend à ce que les cations dans l’électrolyte se déplacent vers l’électrode négative et les anions se déplacent vers l’électrode positive. C’est ce que nous voyons : le cation dans l’électrolyte se déplace vers la droite, vers l’électrode négative, et l’anion se déplace vers la gauche, vers l’électrode positive.

Au niveau de l’électrode de droite, on s’attend à ce que les cations reçoivent des électrons (pour être réduits). Ces électrons vont venir de la source d’alimentation. Cela signifie que l’électrode de droite est la cathode, puisque nous regardons une cellule électrolytique et que le cation sur la figure se dirige vers cette électrode. Donc, la réponse correcte est C.

Lors de la conception d’une cellule électrolytique, il y a de nombreux facteurs à prendre en compte tels que la vitesse de formation des produits, la température requise et les réactions secondaires pouvant se produire.

Ce troisième point est particulièrement important pour sélectionner les matériaux de fabrication des électrodes.

Il est préférable que les électrodes ne se dégradent pas et elles doivent avoir un point de fusion beaucoup plus élevé que celui du sel fondu. Et, bien sûr, les électrodes doivent être conductrices.

Les métaux non réactifs, tels que le platine, sont parfaits pour les électrodes ; le platine est non réactif et il a un point de fusion de . Mais le platine est très cher.

En revanche, le carbone est plus réactif, mais il est très bon marché.

Pour l’électrolyse de l’aluminium, on utilise des électrodes en carbone massif car elles offrent une grande surface de contact et elles peuvent être remplacées à moindre coût. Elles ont l’inconvénient de réagir avec l’oxygène pour donner du dioxyde de carbone, mais elles restent beaucoup moins coûteuses que les électrodes en platine sur le long terme.

Les électrodes à base de métaux plus réactifs vont causer des problèmes. Par exemple, une cathode en fer réagirait avec les sels de cuivre, produisant des sels de fer et du cuivre métallique, même sans alimentation électrique pour provoquer la réaction.

Quand on parle de la réactivité ou de l’inertie d’un matériau d’électrode, on considère souvent les réactifs avec lesquels on souhaite utiliser cette électrode. Si le matériau ne réagit pas avec ces réactifs particuliers, on considère qu’une électrode fabriquée à partir de ce matériau est inerte.