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Pourquoi les électrodes positives doivent-elles être remplacées souvent dans le procédé Hall-Héroult utilisé pour l’extraction de l’aluminium ?
L’aluminium est un métal très réactif. Pour cette raison, il ne peut pas être extrait de son minerai par une réduction en présence de carbone. Une façon courante d’extraire des métaux moins réactifs consiste à chauffer leurs minerais métalliques en présence de carbone. Le minerai métallique est généralement réduit pour former un métal fondu, alors que le carbone est oxydé pour former du dioxyde de carbone. Or, ce procédé ne fonctionne pas avec le minerai d’aluminium et il n'y aura aucune réaction. L’aluminium est plutôt extrait de l’alumine en utilisant un procédé appelé électrolyse. L’électrolyse est un processus chimique au cours duquel de l’électricité passe à travers un électrolyte, ce qui provoque sa décomposition en ses éléments constitutifs.
Dans le procédé Hall-Héroult utilisé pour l’extraction de l’aluminium, l’électrolyse se produit dans une cellule électrolytique. La cellule électrolytique est composée d’une cathode en carbone, qui représente l’électrode négative dans la cellule. Il y a également une anode en carbone, qui représente l’électrode positive dans la cellule. Lorsque la cellule fonctionne, elle est remplie d’un électrolyte fondu. L’électrolyte fondu est composé d’alumine dissoute dans la cryolite. L’alumine est un oxyde d’aluminium purifié à partir du minerai d’aluminium. Elle a un point de fusion très élevé, et la cryolite est utilisée pour abaisser le point de fusion et ainsi économiser de l’énergie. La décomposition de l’alumine entraîne la formation d’aluminium fondu à la cathode en carbone.
Les ions aluminium chargés positivement présents dans l’électrolyte fondu arrivent à la cathode en carbone où ils gagnent des électrons. Chaque ion aluminium gagne trois électrons en provenance de la cathode et devient donc un atome d’aluminium par un processus de réduction. Puisque la cellule fonctionne à très haute température, l’aluminium métallique est à l’état liquide. L’électrolyte fondu contient également des ions oxyde chargés négativement. Les ions oxyde arrivent à l’anode en carbone et perdent des électrons au cours d’une réaction d’oxydation pour produire de l’oxygène gazeux. À première vue, les produits dans cette cellule électrolytique sont donc de l’aluminium fondu à la cathode et de l’oxygène gazeux à l’anode.
Or, ce n’est pas tout à fait vrai. Puisque l’anode en carbone est à une température très élevée et que de l’oxygène gazeux y est produit, ces deux éléments peuvent se combiner pour produire du dioxyde de carbone gazeux. L’anode en carbone est littéralement consommée dans l’oxygène gazeux qui y est produit. Puisque le dioxyde de carbone est un produit gazeux, il s’échappe tout simplement de la cellule. Au fil du temps, l’anode en carbone devient de plus en plus petite, ce qui signifie que les électrodes positives, ou les anodes, doivent être remplacées régulièrement.
Donc, pour répondre à la question « Pourquoi les électrodes positives doivent-elles être remplacées souvent dans le procédé Hall-Héroult utilisé pour l’extraction de l’aluminium ? », c’est parce que ces électrodes sont consommées lorsqu'elles réagissent avec les gaz chauds présents à l'anode. Alors, la bonne réponse implique que les électrodes sont consommées lorsqu'elles réagissent avec les gaz chauds présents à l'anode.