Partie C : Le sens spontané d’évolution est-il prévisible ? Classe de TS

Chapitre 8 - Modèle

L’électrolyse, transformation forcée

1 Modèle de l’électrolyse : un trans-

fert forcé d’électrons

Transformations forcées : Une transformation chi-mique est dite « forcée » si elle a lieu dans le sens opposé ausens dans lequel elle se produit spontanément. Cela nécessiteforcément un apport d’énergie au système chimique.

Évolution du quotient de réaction : Lors d’une trans-formation forcée, le quotient de réaction s’éloigne de lavaleur de la constante d’équilibre K : suite à une trans-formation forcée, le système chimique s’est alors éloigné deson état d’équilibre.

L’électrolyse : Une réaction d’oxydoréduction peut êtreforcée si le système chimique est traversé par un courantélectrique imposé par un générateur. Il se produit alors untransfert forcé d’électrons entre un réducteur et un oxy-dant. Une telle réaction est appelée une électrolyse.

Une électrolyse est une réaction chimique d’oxydo-réduction qui se produit dans le sens inverse de sonsens spontané. C’est une transformation forcée parun courant électrique imposé par un générateur.

2 Modèle de la circulation du cou-

rant lors d’une électrolyse

2.1 Les électrodes : anode et cathode

La définition des deux électrodes est identique à celles vuesdans le cas des piles :

⊲ L’anode est l’électrode où a lieu une oxydation.⊲ La cathode est l’électrode où a lieu une réduction.

2.2 Polarité des électrodes d’un électroly-

seur

Une pile est un générateur, alors qu’un électrolyseurest un récepteur électrique alimenté par un générateur.Ainsi lors d’une électrolyse, le sens du courant est celuiimposé par le générateur.

⊲ Le courant électrique entre dans le système chimique parl’électrode reliée à la borne + du générateur. Donc le sys-tème chimique cède des électrons. Il s’y produit donc uneoxydation, c’est donc une anode.L’anode est donc connectée à la borne positive du gé-nérateur.

⊲ Le courant électrique sort du système chimique par l’élec-trode reliée à la borne - du générateur. Donc le systèmechimique capte des électrons. Il s’y produit donc une ré-duction, c’est donc une cathode.La cathode est donc connectée à la borne négative dugénérateur.

E

I

e-

e-e-

e-

cathodeanode

2.3 Exemple : l’électrolyse de l’eau

L’expérience quotidienne montre que la réaction chimiquesuivante n’est pas spontanée :

2H2O(l)= O2(g)

+H2(g)

Elle peut cependant être réalisée par électrolyse.◮ Activité 1.

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+

G

anions -

cations +

I

e e

◮ Équation de la réaction à l’électrode : ◮ Équation de la réaction à l’électrode :2H2O = O2 (aq et g) + 4H+

(aq)+ 4e− 2H+

(aq)+ 2e− = H2 (aq et g)

◮ Le système chimique capte des électrons. ◮ Le système chimique cède des électrons.

◮ Il se produit donc une oxydation. ◮ Il se produit donc une réduction.

◮ Cette électrode est alors l’anode. ◮ Cette électrode est alors la cathode.

◮ Les électrons vont de l’anode vers le générateur. ◮ Les électrons vont du générateur vers la cathode.

◮ Donc le courant électrique va du générateur versl’anode.

◮ Donc le courant électrique va de la cathode vers legénérateur.

◮ L’anode est alors la borne positive de l’électrolyseur. ◮ La cathode est alors la borne négative de l’électroly-seur.

L’électroneutralité de la solution au voisinage de chaque électrode est assurée par :

◮ la migration des anions vers l’anode ◮ la migration des cations vers la cathode

3 Bilan de matière de l’électrolyse

3.1 Quantité d’électricité et intensité du courant dans l’électrolyseur

Si l’intensité du courant qui traverse la pile est notée I et ne varie pas pendant la durée ∆t, on a alors :

Q = I∆t

⊲ I : intensité du courant en A ;⊲ ∆t : durée en s ;⊲ Q : quantité d’électricité en C.

Remarque : si la durée ∆t est exprimée en heures, alors on obtient Q en A.h (ampère heures).

3.2 Quantité d’électricité et bilan de matière

La quantité d’électricité ayant traversé l’électrolyseur est aussi liée à la quantité de matière des électrons transférés d’uneélectrode à l’autre :

Q = n(e−)transférésF

Q = zxF

⊲ Q : quantité d’électricité en C⊲ n(e−)transférés : QDM des électrons transférés (mol)⊲ F : constante de Faraday (C.mol−1))⊲ z : nombre d’électrons mis en jeu dans l’équation de la

réaction d’oxydoréduction (sans unité)⊲ x : avancement (mol)

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