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Vidéo de la leçon : Électrolyse de sels fondus Chimie

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

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Transcription de vidéo

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

Cette vidéo traite de l’électrolyse des sels fondus. Électro- signifie qu’on utilise de l’électricité, et -lyse fait référence à une séparation. Qu’est-ce qu’on sépare ? Alors, fondu signifie que quelque chose a été chauffé pour devenir liquide. Et sel, c’est un autre mot pour un composé ionique, constitué d’ions positifs et négatifs. Lors de l’électrolyse, on utilise l’électricité pour séparer ces deux types d’ions.

Prenons par exemple l’électrolyse du bromure de plomb (II). À l’état solide, les ions du bromure de plomb sont liés les uns aux autres et ne peuvent pas se déplacer librement. Si on chauffe ce solide pour qu’il atteigne l’état liquide, ou fondu, les ions ne seront plus liés les uns aux autres et pourront se déplacer librement dans le liquide. En fait, un échantillon de bromure de plomb (II) liquide ne contient que des ions plomb et des ions bromure, se déplaçant dans tous les sens pour former le liquide.

Quand on chauffe du bromure de plomb (II) jusqu’à ce qu’il soit liquide, il devient un électrolyte. Un électrolyte est une substance composée d’ions pouvant conduire de l’électricité. L’électricité est un flux de particules chargées. Donc, le bromure de plomb (II) liquide, avec ses ions se déplaçant librement, peut conduire l’électricité, alors que le bromure de plomb (II) solide, avec ses ions liés entre eux, ne peut pas conduire l’électricité. On pourrait aussi transformer le bromure de plomb (II) solide en électrolyte en ajoutant de l’eau pour créer une solution aqueuse. Nous apprendrons l’électrolyse des solutions aqueuses dans une autre vidéo.

L’électricité utilisée pour l’électrolyse provient d’une batterie ou d’une autre source d’alimentation similaire. La batterie est reliée par des fils à deux électrodes, qui sont généralement constituées d’une substance inerte comme le platine ou le carbone. Avec une électrode inerte, les électrons peuvent traverser l’électrode sans que les atomes de l’électrode ne participent à la réaction. La batterie est parfois représentée comme ceci, avec deux lignes parallèles connectées aux fils. La ligne parallèle la plus longue représente la borne positive de la batterie et la ligne parallèle la plus courte représente la borne négative de la batterie.

Pendant l’électrolyse, lorsque le circuit est sous tension, les ions négatifs, appelés anions, se déplacent vers l’électrode positive. Les ions positifs, appelés cations, se déplacent vers l’électrode négative. En fait, les noms des électrodes correspondent aux nom des ions qu’elles attirent. Les anions sont attirés par l’anode et les cations sont attirés par la cathode. Peu de temps après avoir mis le circuit sous tension, on pourra voir des bulles de gaz se former à l’anode et s’échapper vers l’air ambiant. En outre, du côté de la cathode, on verra se former une perle de métal liquide de couleur argentée.

Qu’est-ce qui fait que ces deux substances sont produites ? Voyons, les ions bromure se rassemblent à l’anode. À l’anode, chaque ion bromure donne un électron. Une paire d’ions bromure peut donner ses électrons puis se réunir pour former une molécule de brome gazeux. Ce gaz brunâtre que nous voyons est en fait du brome gazeux. La demi-réaction correspondant à ce processus est : deux ions bromure produisent une molécule de Br2 gazeux et deux électrons. Les électrons donnés par les ions bromure traversent le fil jusqu’à la cathode.

Les ions plomb se rassemblent autour de la cathode. Là, chaque ion plomb est capable d’accepter deux électrons, pour se transformer en atome de plomb métallique, puis couler au fond du récipient, formant cette perle liquide de couleur argentée. La perle est constituée de plomb métallique fondu. La demi-réaction correspondant à ce processus est : un ion plomb plus deux électrons produisent un atome de plomb.

Voilà donc le processus d’électrolyse. L’électricité sépare les ions positifs et les ions négatifs, qui forment alors de nouveaux produits aux électrodes. On définit parfois l’électrolyse en termes de décomposition d’un électrolyte par l’électricité. Plus simplement, cela signifie qu’on décompose une substance conduisant de l’électricité. Dans notre exemple, nous avons décomposé le bromure de plomb en plomb et en brome gazeux. Si nous faisions l’électrolyse de l’oxyde d’aluminium, les produits seraient l’aluminium et l’oxygène gazeux.

Nous pouvons étendre ce modèle et dire que lors de l’électrolyse des sels fondus, les produits correspondent à la forme élémentaire du cation et de l’anion. Le cation aura tendance à former un métal et l’anion aura tendance à former un gaz. Tout à l’heure, nous avons écrit les équations chimiques qui montrent ce qui se passe à chaque électrode. À la cathode, un ion plomb se combine avec deux électrons pour former un atome de plomb. À l’anode, deux ions bromure forment du Br2 gazeux et deux électrons. Ces équations chimiques ont l’air un peu différentes de celles que nous avons l’habitude de voir, car il s’agit de demi-réactions. Les demi-réactions montrent la formation d’un produit et les électrons mis en jeu.

Il y a deux catégories principales de demi-réactions. Soit les atomes ou les ions gagnent des électrons, soit ils perdent des électrons. Dans la réaction de gauche, l’ion plomb gagne des électrons pour former un atome de plomb. Dans la réaction de droite, chaque ion bromure perd un électron lors de la formation de brome gazeux. Lorsqu’un atome ou un ion gagne des électrons, on appelle cela une réduction. Dans ce cas, les ions plomb sont réduits. D’autre part, quand un atome ou un ion perd des électrons, on appelle cela une oxydation. Les ions bromure sont oxydés pour former du brome gazeux.

Parce que la réaction complète est ici la combinaison d’une demi-réaction de réduction et d’une demi-réaction d’oxydation, on appelle cette réaction complète une réaction d’oxydoréduction. Cette réaction d’oxydoréduction décrit l’électrolyse dans sa globalité, et chaque demi-réaction nous donne des informations supplémentaires sur ce qui arrive aux électrons à chaque électrode.

Lors de l’électrolyse, les électrons traversent le fil de l’anode vers la cathode, où ils sont donnés aux ions. Donc, la demi-réaction de réduction, où un ion gagne des électrons, se produit à la cathode. Inversement, puisque les ions abandonnent leurs électrons à l’anode, l’anode est le lieu où se produit la réaction d’oxydation. L’acronyme anglais « OIL RIG » est souvent utilisé pour aider à mémoriser cette idée. Oxidation Involves a Loss of electrons. Reduction Involves a Gain of electrons. En français, on peut aussi s’aider du moyen mnémotechnique suivant : L’Oxydation, qui commence par O, c’est quand l’espèce Offre des électrons. La Réduction, qui commence par R, c’est quand l’espèce Reçoit des électrons.

En résumé, lors de l’électrolyse, à la cathode, un ion gagne des électrons et il est donc réduit. À l’anode, l’autre ion perd des électrons et il est donc oxydé. Maintenant que nous avons appris ce qu’est l’électrolyse des sels fondus, examinons quelques problèmes pratiques.

Dans l’électrolyse du bromure de plomb fondu, illustrée dans cette image, quelle électrode se trouve à droite ? (A) La cathode, qui oxyde le brome. (B) La cathode, qui réduit les ions bromure. (C) L’anode, qui réduit les ions bromure. (D) L’anode, qui oxyde les ions bromure. Ou (E) l’anode, qui oxyde le brome.

Cette image montre l’électrolyse du bromure de plomb fondu avec un dégagement de gaz brun au niveau de l’une des électrodes. Ce gaz brun, c’est du brome. Cette question nous demande de décrire comment se forme le brome et à quelle électrode. Chaque choix comporte trois parties, ce qui signifie que nous devons rassembler trois informations pour répondre à la question. Le brome gazeux est-il produit à l’anode ou à la cathode ? La production de brome implique-t-elle une oxydation ou une réduction ? Et cette oxydation ou cette réduction se produit-elle avec les ions bromure ou avec les atomes de brome ?

Commençons par la troisième information. Ce processus implique-t-il des ions bromure ou des atomes de brome ? Le bromure de plomb fondu est composé d’ions de plomb et d’ions bromure se déplaçant librement. L’électrolyse nécessite un électrolyte. Un électrolyte est une substance composée d’ions ou capable de libérer des ions pouvant conduire de l’électricité. Lorsque le circuit est sous tension, les ions bromure sont attirés vers l’une des électrodes pour démarrer la formation de brome. Puisque les réactifs dans ce processus sont des ions bromure et non des atomes de brome, nous pouvons éliminer les choix (A) et (E).

Ensuite, considérons le nom de l’électrode. Les ions bromure, chargés négativement, sont appelés anions. C’est l’inverse pour les ions plomb, chargés positivement et appelés cations. Par quelle électrode les anions sont-ils attirés, l’anode ou la cathode ? Nous pouvons nous souvenir que le nom de l’électrode correspond aux ions qu’elle attire. Les anions sont attirés par l’anode, et les cations sont attirés par la cathode. Dans cet exemple, les anions bromure sont attirés par l’anode, ce qui nous permet d’éliminer aussi le choix (B).

La dernière question à nous poser est de savoir si ces ions bromure sont oxydés ou réduits à l’anode. Pour répondre à cette question, voyons ce qui arrive aux ions bromure à l’anode. Tout d’abord, chaque ion bromure donne un électron à l’anode. Ensuite, les ions qui ont donné leurs électrons peuvent se lier entre eux pour former une molécule de brome gazeux. La demi-réaction de ce processus est : deux ions Br- produisent Br2 et deux électrons. Avec ce processus en tête, les ions bromure sont-ils oxydés ou réduits ?

Dans cette situation, puisque les ions bromure perdent, ou offrent, leurs électrons, il s’agit d’une oxydation. Une réduction, au contraire, c’est quand un atome ou un ion gagne, ou reçoit, des électrons. Par exemple, à la cathode dans cette expérience, les ions plomb reçoivent des électrons, ils sont réduits pour former du plomb élémentaire. Puisque les ions bromure offrent des électrons ou sont oxydés, nous pouvons dire que (D) est la bonne réponse. L’électrolyse du bromure de plomb fondu produit du brome gazeux brun. Les ions bromure sont attirés par l’anode, où ils donnent des électrons pour former du brome. Puisque les ions bromure offrent des électrons, nous appelons ce processus une oxydation.

Donc, dans l’électrolyse du bromure de plomb fondu, représentée sur l’image, quelle électrode se trouve à droite ? C’est le choix (D), l’anode, qui oxyde les ions bromure.

Le baryum métallique peut être obtenu par électrolyse de son sel fondu. Laquelle des équations suivantes correspond à la réaction se produisant à l’électrode négative ? (A) Un atome de baryum plus deux électrons produisent un ion Ba2+. (B) Un atome de baryum produit un ion Ba2+ plus deux électrons. (C) L’ion Ba2+ plus deux électrons produisent un atome de baryum. (D) L’ion Ba2+ plus deux électrons produisent deux atomes de baryum. Ou (E) un ion Ba2+ produit un atome de baryum et deux électrons.

Cette question concerne l’électrolyse d’un sel fondu. Ce processus a lieu quand on plonge deux électrodes connectées à une batterie dans un sel sous forme liquide. Le sel liquide est composé d’ions positifs et négatifs se déplaçant librement. Dans cette question, les ions positifs ou les cations sont les ions baryum. L’identité des ions négatifs n’est pas importante pour répondre à la question, alors utilisons simplement le chlorure comme exemple. Quand le circuit est sous tension, les ions sont attirés par les électrodes de la charge opposée. Lorsque les ions atteignent chaque électrode, une réaction se produit.

La question demande en fait ce qui arrive aux ions baryum à la surface de l’électrode, ici à gauche dans l’illustration. En fait, chaque choix de réponse correspond une combinaison différente des réponses possibles à trois questions. Quand les ions baryum sont-ils présents ? Quand les atomes de baryum sont-ils présents ? Et les électrons sont-ils absorbés ou libérés au cours de ce processus ?

Regardons bien la question pour obtenir des indices sur ce qui se passe. Comme nous venons de l’expliquer, un sel fondu est formé d’ions. Et l’électrolyse d’un sel fondu commence donc avec des ions. De plus, si nous essayons d’obtenir du baryum métallique, cela doit signifier que la forme atomique du baryum est un produit de la réaction. Cela veut dire que nous pouvons éliminer les choix (A) et (B). Nous voulons que l’ion soit du côté gauche de l’équation en tant que réactif et que l’atome soit du côté droit de l’équation en tant que produit. Nous savons que le baryum métallique se formera en tant que produit de la réaction. Il se déposera ainsi sur l’électrode.

Notre question suivante, c’est que se passe-t-il avec les électrons pour que cela se produise ? Lors de l’électrolyse, les électrons circulent de l’anode vers la cathode. Ils sont pris des ions à l’anode et donnés aux ions à la cathode. Dans notre exemple ici, les électrons à la cathode sont donnés aux ions Ba2+. La charge deux plus de l’ion baryum et les deux charges moins des deux électrons s’annulent. En conséquence, des atomes de baryum métallique se forment. Nous pouvons simplifier ce processus en disant que l’ion baryum a reçu des électrons pour former l’atome. Le choix (E), où les électrons sont un produit de la réaction, est la situation inverse, où les électrons sont libérés de l’ion. Nous voulons que les électrons se combinent avec l’ion pour former l’atome, comme dans les choix (C) et (D).

La dernière chose que nous devons considérer, c’est de savoir si la combinaison d’un ion baryum et de deux électrons produirait un atome de baryum ou deux atomes de baryum. Pour faire simple, la bonne réponse est le choix (C). Un ion se combine avec les électrons pour former un atome. Cette réaction décrit ce qui se passe à l’électrode négative lorsqu’on fait l’électrolyse d’un sel fondu contenant du baryum. L’ion baryum gagne deux électrons pour former un atome de baryum métallique. Lorsqu’un atome ou un ion reçoit des électrons, on appelle cela une réduction.

L’électrolyse est un moyen d’isoler des métaux purs. En fait, le baryum a été isolé pour la première fois en 1808 par le chimiste britannique Sir Humphry Davy, qui a fait l’électrolyse de l’oxyde de baryum fondu. Donc, quand on obtient du baryum métallique par électrolyse de son sel fondu, l’équation correspondant à la réaction qui se produit à l’électrode négative est le choix (C), un ion baryum plus deux électrons produisent un atome de baryum.

Maintenant que nous avons fait quelques exercices, voyons les points clés de la leçon. L’électrolyse est essentiellement la séparation électrique des ions. Et un sel fondu est la forme liquide d’un composé ionique. Un sel fondu est entièrement composé d’ions positifs et négatifs se déplaçant librement. Les produits de l’électrolyse d’un sel fondu sont les formes élémentaires des ions présents. En général, le cation forme un métal et l’anion forme un gaz.

Lorsque le circuit est sous tension, les anions négatifs circulent vers l’électrode connue sous le nom d’anode, où ils donnent leurs électrons. Lorsqu’un atome ou un ion perd des électrons, on appelle cela une oxydation. Inversement, les cations chargés positivement se déplacent vers la cathode, où ils gagnent des électrons. Le processus de gain d’électrons est appelé réduction. Enfin, les demi-réactions représentent la formation d’un produit et les électrons impliqués. Par exemple, la demi-réaction qui montre la formation du plomb est : un ion Pb2+ plus deux électrons forment un atome de plomb.

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