La question de savoir ce qu'est l'électrolyse est abordée dans le cours de physique de l'école, et pour la plupart des gens, ce n'est pas un secret. Une autre chose est son importance et son application pratique. Ce processus est utilisé avec beaucoup d'avantages dans diverses industries et peut être utile pour l'artisan à domicile.
Contenu
- 1 Qu'est-ce que l'électrolyse ?
- 2 Les lois de Faraday de l'électrolyse
- 3 Faire fondre l'électrolyse
- 4 Caractéristiques de l'électrolyse dans les solutions
- 5 Électrolyse dans les gaz
- 6 Caractéristiques des processus se produisant à la cathode et à l'anode
- 7 Facteurs affectant le processus d'électrolyse
- 8 Où utilise-t-on l'électrolyse ?
- 9 Coûts énergétiques
Qu'est-ce que l'électrolyse ?
L'électrolyse est un complexe de processus spécifiques dans le système d'électrodes et d'électrolyte lorsqu'un courant électrique continu le traverse. Son mécanisme est basé sur l'apparition d'un courant ionique. L'électrolyte est un conducteur de type 2 (conductivité ionique) dans lequel se produit la dissociation électrolytique. Il est associé à une décomposition en ions positifs (cation) et négatif (anion) charge.
Le système d'électrolyse contient nécessairement un positif (anode) et négatif (cathode) électrode. Lorsqu'un courant électrique continu est appliqué, les cations commencent à se déplacer vers la cathode et les anions - vers l'anode. Les cations sont principalement des ions métalliques et de l'hydrogène, et les anions sont l'oxygène, le chlore. A la cathode, les cations fixent sur eux-mêmes les électrons en excès, ce qui assure l'apparition de la réaction de réduction Men+ + ne → Me (où n est la valence du métal). A l'anode, au contraire, un électron est donné par l'anion avec une réaction oxydative en cours.
Ainsi, un processus redox est fourni dans le système. Il est important de considérer que pour son écoulement, une énergie appropriée est nécessaire. Il doit être fourni par une source de courant externe.
Les lois de Faraday de l'électrolyse
Le grand physicien M. Faraday, avec ses recherches, a permis non seulement de comprendre la nature de l'électrolyse, mais aussi de faire les calculs nécessaires à sa mise en œuvre. En 1832, ses lois paraissent, liant les principaux paramètres des processus en cours.
Première loi
La première loi de Faraday stipule que la masse de la substance en cours de réduction à l'anode est directement proportionnelle à la charge électrique induite dans l'électrolyte : m = kq = k*I*t, où q est la charge, k est le coefficient ou l'équivalent électrochimique de la substance, I est la force du courant traversant l'électrolyte, t est le temps de passage du courant.
Deuxième loi
La deuxième loi de Faraday a permis de déterminer le coefficient de proportionnalité k. Cela ressemble à ceci : l'équivalent électrochimique de toute substance est directement proportionnel à sa masse molaire et inversement proportionnel à sa valence. La loi s'exprime ainsi :
k = 1/F*A/z, où F est la constante de Faraday, A est la masse molaire de la substance, z est sa valence chimique.
En tenant compte des deux lois, il est possible de dériver la formule finale pour calculer la masse déposée sur l'électrode de la substance : m = A*I*t/(n*F), où n est le nombre d'électrons impliqués dans l'électrolyse. Habituellement n correspond à la charge de l'ion. D'un point de vue pratique, le lien entre la masse d'une substance et le courant appliqué est important, ce qui permet de contrôler le processus en modifiant sa force.
Faire fondre l'électrolyse
L'une des options pour l'électrolyse est l'utilisation d'une masse fondue comme électrolyte. Dans ce cas, seuls les ions fondus participent au processus d'électrolyse. Un exemple classique est l'électrolyse du sel fondu NaCl (sel). Les ions négatifs se précipitent vers l'anode, ce qui signifie que du gaz est libéré (CL). La réduction du métal se produira à la cathode, c'est-à-dire dépôt de Na pur formé à partir d'ions positifs qui ont attiré des électrons en excès. D'autres métaux peuvent être obtenus de manière similaire (K, Ca, Li, etc.) du massacre des sels correspondants.
Lors de l'électrolyse en fusion, les électrodes ne subissent pas de dissolution, mais participent uniquement en tant que source de courant. Dans leur fabrication, vous pouvez utiliser du métal, du graphite, certains semi-conducteurs. Il est important que le matériau ait une conductivité suffisante. L'un des matériaux les plus courants est le cuivre.
Caractéristiques de l'électrolyse dans les solutions
L'électrolyse dans une solution aqueuse diffère considérablement d'une masse fondue. Trois processus concurrents s'y déroulent : l'oxydation de l'eau avec dégagement d'oxygène, l'oxydation des anions et la dissolution anodique du métal. Les ions d'eau, d'électrolyte et d'anode sont impliqués dans le processus.En conséquence, la réduction de l'hydrogène, des cations électrolytiques et du métal d'anode peut se produire à la cathode.
La possibilité que ces processus concurrents se produisent dépend de l'amplitude des potentiels électriques du système. Seul le processus qui nécessite moins d'énergie externe se poursuivra. Par conséquent, les cations avec le potentiel d'électrode maximum seront réduits à la cathode et les anions avec le potentiel le plus bas seront oxydés à l'anode. Le potentiel d'électrode de l'hydrogène est pris égal à "0". Par exemple, pour le potassium, c'est (-2.93V), sodium - (-2.71V), conduire (-0.13V), tandis que l'argent a (+0,8 V).
Électrolyse dans les gaz
Le gaz ne peut jouer le rôle d'électrolyte qu'en présence d'un ioniseur. Dans ce cas, le courant traversant le milieu ionisé provoque le processus nécessaire sur les électrodes. Cependant, les lois de Faraday ne s'appliquent pas à l'électrolyse des gaz. Pour sa mise en œuvre, les conditions suivantes sont nécessaires :
- Sans ionisation artificielle du gaz, ni la haute tension ni le courant élevé ne seront utiles.
- Seuls les acides qui ne contiennent pas d'oxygène et sont à l'état gazeux, et certains gaz conviennent à l'électrolyse.
Important! Lorsque les conditions nécessaires sont remplies, le processus se déroule de manière similaire à l'électrolyse dans un électrolyte liquide.
Caractéristiques des processus se produisant à la cathode et à l'anode
Pour l'application pratique de l'électrolyse, il est important de comprendre ce qui se passe aux deux électrodes lorsqu'un courant électrique est appliqué. Les processus typiques sont :
- Cathode. Des ions chargés positivement s'y précipitent. Ici, la réduction des métaux ou le dégagement d'hydrogène a lieu. Il existe plusieurs catégories de métaux selon leur activité cationique.Les métaux tels que Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al ne sont bien réduits qu'à partir de sels fondus. Si une solution est utilisée, de l'hydrogène est libéré en raison de l'électrolyse de l'eau. Il est possible d'obtenir une réduction en solution, mais avec une concentration suffisante de cations, pour les métaux suivants - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Le processus se déroule le plus facilement pour Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- Anode. Les ions chargés négativement pénètrent dans cette électrode. Oxydés, ils prélèvent des électrons au métal, ce qui entraîne leur dissolution anodique, c'est-à-dire transition en ions chargés positivement, qui sont envoyés à la cathode. Les anions sont également classés selon leur activité. De tels anions PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F ne peuvent être évacués que par la fonte.Dans les solutions aqueuses, ce ne sont pas eux qui subissent l'électrolyse, mais l'eau avec dégagement d'oxygène. Les anions tels que OH, Cl, I, S, Br réagissent le plus facilement.
Lors de l'électrolyse, il est important de prendre en compte la tendance du matériau de l'électrode à s'oxyder. À cet égard, les anodes inertes et actives se distinguent. Les électrodes inertes sont en graphite, carbone ou platine et ne participent pas à l'apport d'ions.
Facteurs affectant le processus d'électrolyse
Le processus d'électrolyse dépend des facteurs suivants :
- Composition électrolytique. Diverses impuretés ont un effet significatif. Ils sont divisés en 3 types - cations, anions et organiques. Les substances peuvent être plus ou moins négatives que le métal de base, ce qui interfère avec le processus. Parmi les impuretés organiques, les polluants (par exemple les huiles) et les tensioactifs se distinguent. Leur concentration a des valeurs maximales admissibles.
- la densité actuelle. Conformément aux lois de Faraday, la masse de la substance déposée augmente avec l'augmentation de l'intensité du courant. Cependant, des circonstances défavorables surviennent - polarisation concentrée, augmentation de la tension, échauffement intense de l'électrolyte. Dans cet esprit, il existe des valeurs de densité de courant optimales pour chaque cas spécifique.
- pH de l'électrolyte. L'acidité du milieu est également choisie en tenant compte des métaux. Par exemple, la valeur optimale de l'acidité de l'électrolyte pour le zinc est de 140 g/m3.
- Température de l'électrolyte. Cela a un effet ambigu. Avec une augmentation de la température, le taux d'électrolyse augmente, mais l'activité des impuretés augmente également. Il existe une température optimale pour chaque processus. Habituellement, il se situe entre 38 et 45 degrés.
Important! L'électrolyse peut être accélérée ou ralentie par diverses influences et le choix de la composition de l'électrolyte. Chaque application a son propre régime, qui doit être strictement observé.
Où utilise-t-on l'électrolyse ?
L'électrolyse est utilisée dans de nombreux domaines. Il existe plusieurs principaux domaines d'utilisation pour obtenir des résultats pratiques.
Galvanoplastie
Un placage mince et durable de métal peut être appliqué par électrolyse. Le produit à revêtir est installé dans le bain sous forme de cathode, et l'électrolyte contient un sel du métal recherché. Vous pouvez donc recouvrir l'acier de zinc, de chrome ou d'étain.
Électroraffinage - affinage du cuivre
Un exemple de nettoyage électrique peut être l'option suivante : cathode - cuivre pur anode - du cuivre avec des impuretés, électrolyte - une solution aqueuse de sulfate de cuivre. Le cuivre de l'anode passe dans les ions et se dépose dans la cathode déjà sans impuretés.
Extraction de métaux
Pour obtenir des métaux à partir de sels, ils sont transférés dans la masse fondue, puis une électrolyse y est effectuée. Une telle méthode est assez efficace pour obtenir de l'aluminium à partir de bauxites, de sodium et de potassium.
Anodisation
Dans ce procédé, le revêtement est fabriqué à partir de composés non métalliques. Un exemple classique est l'anodisation de l'aluminium. La partie en aluminium est installée comme anode. L'électrolyte est une solution d'acide sulfurique. À la suite de l'électrolyse, une couche d'oxyde d'aluminium se dépose sur l'anode, qui a des propriétés protectrices et décoratives. Ces technologies sont largement utilisées dans diverses industries. Vous pouvez effectuer les processus de vos propres mains dans le respect des règles de sécurité.
Coûts énergétiques
L'électrolyse nécessite des coûts énergétiques élevés. Le processus aura une valeur pratique si le courant d'anode est suffisant, et pour cela, il est nécessaire d'appliquer un courant continu important à partir de la source d'alimentation. De plus, lors de sa réalisation, des pertes de tension latérales se produisent - surtensions d'anode et de cathode, pertes dans l'électrolyte dues à sa résistance. L'efficacité de l'installation est déterminée en rapportant la puissance de consommation d'énergie à une unité de masse utile de la substance obtenue.
L'électrolyse est utilisée dans l'industrie depuis longtemps et avec un rendement élevé. Les revêtements anodisés et galvanisés sont devenus monnaie courante dans la vie quotidienne, et l'extraction et la valorisation des matériaux aident à extraire de nombreux métaux du minerai. Le processus peut être planifié et calculé, en connaissant ses principaux modèles.
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