Cellule électrolytique: pièces, son fonctionnement et ses applications

La cellule électrolytique est un milieu dans lequel de l'énergie ou un courant électrique est utilisé pour effectuer une réaction d'oxydoréduction non spontanée. Il se compose de deux électrodes: l'anode et la cathode.

À l'anode (+), une oxydation se produit car, sur ce site, certains éléments ou composés perdent des électrons; tandis que dans la cathode (-), la réduction, car certains éléments ou composés y gagnent des électrons.

Dans la cellule électrolytique, certaines substances, préalablement ionisées, sont décomposées selon un processus appelé électrolyse.

L'application du courant électrique produit une orientation dans le mouvement des ions dans la cellule électrolytique. Les ions chargés positivement (cations) migrent vers la cathode de charge (-).

Pendant ce temps, les ions chargés négativement (anions) migrent vers l'anode chargée (+). Ce transfert de charge constitue un courant électrique (image du haut). Dans ce cas, le courant électrique est conduit par des solutions électrolytiques présentes dans le conteneur de cellules électrolytiques.

La loi de Faraday sur l'électrolyse stipule que la quantité de substance qui subit une oxydation ou une réduction dans chaque électrode est directement proportionnelle à la quantité d'électricité qui traverse la cellule ou les cellules.

Pièces

Une cellule électrolytique est composée d’un conteneur dans lequel se dépose le matériau qui va subir les réactions induites par la charge électrique.

Le navire a une paire d’électrodes connectées à une batterie à courant continu. Les électrodes habituellement utilisées sont en un matériau inerte, c’est-à-dire qu’elles n’interviennent pas dans les réactions.

En série avec la batterie, un ampèremètre peut être connecté pour mesurer l'intensité du courant traversant la solution électrolytique. De même, un voltmètre est placé en parallèle pour mesurer la différence de tension entre la paire d'électrodes.

Comment fonctionne une cellule électrolytique?

Electrolyse de chlorure de sodium en fusion

Il est préférable d'utiliser le chlorure de sodium fondu dans le chlorure de sodium solide, car ce dernier ne conduit pas l'électricité. Les ions vibrent à l'intérieur de leurs cristaux, mais ils ne sont pas libres de bouger.

Réaction cathodique

Les électrodes en graphite, un matériau inerte, sont connectées aux bornes de la batterie. Une électrode est connectée à la borne positive de la batterie, constituant l’anode (+).

Pendant ce temps, l’autre électrode est connectée à la borne négative de la batterie, constituant la cathode (-). Lorsque le courant provenant de la batterie circule, on observe ce qui suit:

À la cathode (-), il y a une réduction de l'ion Na + qui, après avoir gagné, un électron est transformé en Na métallique:

Na + + e- => Na (l)

Le sodium métallique blanc argenté flotte sur le chlorure de sodium en fusion.

Réaction anodique

Au contraire, à l'anode (+) se produit l'oxydation de l'ion Cl-, car il perd des électrons et devient du chlore gazeux (Cl 2 ), processus qui se manifeste par l'apparition d'un gaz dans l'anode. couleur vert pâle. La réaction qui se produit à l'anode peut être schématisée, comme ceci:

2Cl- => Cl 2 (g) + 2 e-

La formation de gaz métalliques de Na et de Cl 2 à partir de NaCl n'est pas un processus spontané, nécessitant des températures supérieures à 800 ° C. Le courant électrique fournit l'énergie nécessaire à la transformation indiquée dans les électrodes de la cellule électrolytique.

Les électrons sont consommés à la cathode (-), dans le processus de réduction et sont produits à l'anode (+) pendant l'oxydation. Par conséquent, les électrons traversent le circuit externe de la cellule électrolytique de l'anode à la cathode.

La batterie à courant continu fournit l'énergie nécessaire aux électrons pour s'écouler spontanément de l'anode (+) à la cathode (-).

Down Cell

La cellule Down est une adaptation de la cellule électrolytique décrite et est utilisée pour la production industrielle de Na métallique et de chlore gazeux.

La cellule électrolytique de Down comporte des dispositifs permettant de collecter séparément le sodium métallique et le chlore gazeux. Cette méthode de production de sodium métallique reste très pratique.

Une fois libéré par électrolyse, le sodium métallique liquide est égoutté, refroidi et coupé en blocs. Ensuite, il est stocké dans un milieu inerte, car le sodium peut réagir de manière explosive par contact avec de l'eau ou de l'oxygène atmosphérique.

Le gaz de chlore est produit dans l'industrie, principalement par électrolyse du chlorure de sodium selon un processus moins coûteux que la production de sodium métallique.

Les applications

Synthèse industrielle

-En industrie, les cellules électrolytiques sont utilisées pour l’électroraffinage et l’électrodéposition de divers métaux non ferreux. Presque tout l’aluminium, le cuivre, le zinc et le plomb de haute pureté sont produits industriellement dans des cellules électrolytiques.

- L'hydrogène est produit par électrolyse de l'eau. Cette procédure chimique est également utilisée pour obtenir de l’eau lourde (D 2 O).

- Les métaux tels que Na, K et Mg sont obtenus par électrolyse d'électrolytes en fusion. En outre, les non-métaux tels que les fluorures et les chlorures sont obtenus par électrolyse. De plus, des composés tels que NaOH, KOH, Na 2 CO 3 et KMnO 4 sont synthétisés par le même processus.

Revêtement et raffinage des métaux

-Le processus de revêtement d'un métal inférieur avec un métal de qualité supérieure est appelé galvanoplastie. Le but est d'éviter la corrosion du métal inférieur et de le rendre plus attrayant. Dans la galvanoplastie, des cellules électrolytiques sont utilisées à cette fin.

- Les métaux impurs peuvent être raffinés par électrolyse. Dans le cas du cuivre, des feuilles de métal très minces sont placées sur la cathode et de grandes barres de cuivre impur doivent être raffinées à l'anode.

-L'utilisation d'articles plaqués est courante dans la société. Les bijoux et la vaisselle sont souvent en argent; L'or est électrodéposé dans les bijoux et les contacts électriques. De nombreux objets sont recouverts de cuivre à des fins décoratives.

-Les voitures ont des ailes et autres pièces d'acier chromé. Le chrome de la défense d'une voiture ne prend que 3 secondes d'électrodéposition de chrome pour produire une surface brillante de 0, 0002 mm d'épaisseur.

-L'électrodéposition rapide du métal produit des surfaces noires et rugueuses. Une électrodéposition lente produit des surfaces lisses. Les "boîtes de conserve" sont en acier revêtu d'étain par électrolyse. Parfois, ces boîtes sont chromées en une fraction de seconde avec l'épaisseur de la couche de chrome extrêmement mince.