Transformations forcées — Électrolyse — Cours Chimie Bac SMB

Dans le programme du Bac SMB

Coefficient 7 en Bac SMB. Ce chapitre est le pendant « forcé » de la pile : on impose au système d'évoluer contre son sens spontané (Q_r > K). L'aspect quantitatif (n = Q/(z·F)) réutilise la constante de Faraday et prépare des calculs de rendement de dépôt métallique, proches de ceux des Sciences de l'Ingénieur (traitements de surface).

À l'épreuve

Écrire les demi-équations aux électrodes en précisant les polarités du générateur, calculer la quantité d'électricité Q = I·Δt, en déduire la quantité de matière transformée n = Q/(z·F) puis une masse déposée, un volume de gaz dégagé, ou une durée d'électrolyse.

Objectifs d'apprentissage

Définir une transformation forcée et la situer par rapport à l'évolution spontanée (Q_r > K)
Identifier l'anode (reliée au +, oxydation) et la cathode (reliée au −, réduction)
Écrire les demi-équations aux électrodes
Utiliser n = I·Δt/(z·F) pour relier courant, durée et quantité de matière
Citer des applications industrielles de l'électrolyse

Notions clés

Transformation forcée

Une électrolyse impose au système d'évoluer dans le sens inverse de son évolution spontanée : un générateur fournit l'énergie électrique nécessaire pour maintenir

Q_r>K

. Elle ne se produit qu'à condition que la tension appliquée dépasse une valeur seuil.

Électrodes et polarités

L'électrode reliée à la borne

+

du générateur est l'anode : il s'y produit une oxydation. Celle reliée à la borne

-

est la cathode : il s'y produit une réduction. (Contrairement à la pile, l'anode est ici positive.)

Aspect quantitatif

n=\dfrac{Q}{z\,F}=\dfrac{I\cdot\Delta t}{z\,F}

, où

z

est le nombre d'électrons échangés par entité formée ou consommée et

F=96\,500\ \text{C/mol}

. Applications : production de

H_2

Cl_2

; dépôts électrolytiques (galvanoplastie) ; affinage des métaux ; recharge d'un accumulateur.

Erreurs fréquentes

Attribuer le signe − à l'anode : dans une électrolyse, l'anode est reliée au pôle + du générateur.

Oublier le facteur z (nombre d'électrons par entité) dans n = Q/(z·F).

Confondre électrolyse (le système reçoit de l'énergie électrique) et pile (le système en fournit).

Exemple corrigé

Énoncé

On électrolyse une solution acidifiée ; à la cathode se dégage du dihydrogène (

2\,H^{+}+2\,e^{-}\to H_2

). Le courant vaut

I=0{,}50\ \text{A}

pendant

\Delta t=1{,}0\ \text{h}

. Calculer le volume de

H_2

dégagé (

V_m=24\ \text{L/mol}

F=96\,500\ \text{C/mol}

Correction

Quantité d'électricité.

Q=I\cdot\Delta t=0{,}50\times3600=1800\ \text{C}

Quantité d'électrons.

n(e^{-})=\dfrac{Q}{F}=\dfrac{1800}{96\,500}\approx 1{,}9\times10^{-2}\ \text{mol}

Quantité de dihydrogène.

n(H_2)=\dfrac{n(e^{-})}{2}\approx 9{,}3\times10^{-3}\ \text{mol}

Volume.

V(H_2)=n(H_2)\times V_m\approx 9{,}3\times10^{-3}\times24\approx 0{,}22\ \text{L}

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Exercice 1

Facile

Dans une électrolyse, à quelle borne du générateur l'anode est-elle reliée, et quelle réaction s'y produit ?

Voir la correction

L'anode est reliée à la borne positive du générateur ; il s'y produit une oxydation.

Exercice 2

Moyen

Lors de l'électrolyse d'une solution de chlorure d'étain, on veut déposer

n=0{,}010\ \text{mol}

d'étain (

Sn^{2+}+2\,e^{-}\to Sn

). Calculer la quantité d'électricité nécessaire (

F=96\,500\ \text{C/mol}

Voir la correction

Q=z\,n\,F=2\times0{,}010\times96\,500=1{,}93\times10^{3}\ \text{C}

Exercice 3

Difficile

On argente une pièce par électrolyse (

Ag^{+}+e^{-}\to Ag

) sous

I=0{,}20\ \text{A}

. Calculer la durée nécessaire pour déposer

m=0{,}54\ \text{g}

d'argent (

M(Ag)=108\ \text{g/mol}

F=96\,500\ \text{C/mol}

Voir la correction

n(Ag)=\dfrac{m}{M}=\dfrac{0{,}54}{108}=5{,}0\times10^{-3}\ \text{mol}

. Ici

z=1

, donc

Q=n\,F=5{,}0\times10^{-3}\times96\,500=482{,}5\ \text{C}

. Durée :

\Delta t=\dfrac{Q}{I}=\dfrac{482{,}5}{0{,}20}\approx 2{,}4\times10^{3}\ \text{s}\approx 40\ \text{min}

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Questions fréquentes

Qu'est-ce qui distingue une électrolyse du fonctionnement d'une pile ?

Une pile fournit de l'énergie électrique à partir d'une transformation spontanée (Q_r < K). Une électrolyse consomme de l'énergie électrique fournie par un générateur pour imposer la transformation inverse (Q_r > K).

Comment relie-t-on I, Δt et la masse déposée ?

Par n = I·Δt/(z·F), avec z le nombre d'électrons échangés par entité déposée. On en déduit la masse par m = n·M. Toutes les grandeurs doivent être en unités SI (courant en A, durée en s).

Pourquoi l'anode est-elle positive en électrolyse ?

Parce que c'est le générateur qui impose les polarités : l'électrode reliée à sa borne + attire les électrons, ce qui y force une oxydation. C'est l'inverse d'une pile, où l'oxydation spontanée à l'anode en fait le pôle négatif.