- Dans cet article, tu découvriras la définition de l'électrolyse sur des solutions aqueuses.
- Comment mettre en place les expériences d'électrolyse, y compris la pratique requise.
- Quels sont les résultats typiques attendus pour l'électrolyse de plusieurs solutions d'exemple.
- Les règles régissant les réactions à chaque électrode, leurs noms, et les réactions à chaque électrode inerte.
Définition de l'électrolyse des solutions aqueuses
Lorsque l'on parle d'électrolyse, on peut l'appliquer à différentes formes de composés, comme les états fondus ou les solutions aqueuses.
L'électrolyse des solutions aqueuses fait référence à l'électrolyse de substances (généralement ioniques) qui sont dissoutes dans l'eau .
Mais quel avantage l'ajout d'eau au système a-t-il sur l'électrolyse du composé ? L'eau peut apporter des molécules d'eau pour la mobilité, mais aussi des ions OH- et H+ pour que les réactions aient lieu. Tu le verras dans les exemples dont nous allons parler ci-dessous !
Jette un coup d'œil à nos précédents articles sur l'électrolyse pour avoir un rappel sur les règles générales de ce sujet, et les séries de réactivité.
Électrolyse des solutions aqueuses : Règles
Nous allons ici discuter des règles générales que tu peux appliquer à tous les contextes où l'électrolyse est réalisée sur des solutions aqueuses. La considération la plus importante dont tu dois te souvenir est de savoir si le composé est dissous dans l'eau. Si c'est le cas, tu peux appliquer les règles suivantes pour connaître le résultat d'une réaction d'électrolyse.
Réaction à l'électrode positive (règles)
À l'électrode positive (l'anode), deux ions négatifs possibles s'accumulent : il peut s'agir soit des ions hydroxyde de l'eau(OH-), soit de l'anion du composé dissous en question. En ce qui concerne les anions présents dans la solution, ils peuvent également être de deux types : il peut s'agir d'anions monoatomiques (tels que les halogénures), ou d'un anion polyatomique.
Les halogénures sont des ions négatifs des halogènes (groupe 7 du tableau périodique) tels que le chlore (Cl-) ou le fluor (F-). Les anions polyatomiques comprennent les sulfates(SO42-) ou les carbonates (CO32-).
Alors lequel des deux est préférentiellement oxydé à l'anode lors de l'électrolyse?
Si l'anion est simple, comme un halogénure, il sera préférentiellement oxydé.
Si l'anion est complexe, comme un anion polyatomique, c'est OH- qui sera oxydé.
En effet, les ions polyatomiques ne sont pas facilement oxydés et déchargés lors des réactions électrochimiques.
Laconcentration joue un rôle important pendant l'électrolyse à l'anode. En général, l'anion (s'il est simple) sera préférentiellement oxydé et déchargé. Ce sera le cas pour des concentrations normales et élevées de la solution aqueuse.
Si la solution est très faiblement concentrée ou diluée, les ions hydroxyde sont préférentiellement oxydés, car ils sont plus nombreux que les anions. Ainsi, à faible concentration, OH- sera évacué même si d'autres ions sont présents.
Réaction à l'électrode négative (règles) :
À l'électrode négative, seuls les ions positifs se déposeront. Dans une solution aqueuse, il peut y avoir deux ions positifs possibles : il s'agira soit de l'ion positif(cation) du composé, soit d'un ion hydrogène(H+).
Ainsi, si tu as un mélange d'ions hydrogène et de cations de ton composé en solution à l'électrode inerte négative, lequel des deux sera préférentiellement réduit?
Rappelle-toi que dans l'électrolyse, la réduction se produit à l'électrode positive(cathode). Comme à la cathode, des électrons sont gagnés par la substance aqueuse.
Pour savoir quel ion sera produit à la cathode, tu dois te référer à la série de réactivité.
La série de réactivité est un tableau d'éléments (principalement des métaux) qui sont classés en fonction de leur réactivité. En haut du tableau se trouvent les éléments les plus réactifs, et au fur et à mesure que tu descends, la réactivité des éléments diminue. Tu peux l'utiliser pour comparer la position des éléments les uns par rapport aux autres en fonction de leur réactivité et, plus important encore, pour savoir s'ils peuvent se déplacer les uns les autres dans des contextes électrochimiques.
Fig. 1 : Série de réactivité. Source : bbc.co.uk
Alors, comment peux-tu utiliser lasérie de réactivité pour savoir quel élément sera produit de préférence à l'électrode positive? Voici la règle:
l'hydrogène sera réduit si le métal est plus réactif que l'hydrogène.
le métal sera réduit s'il a une réactivité inférieure à celle de l'hydrogène.
Ainsi, tu dois toujours regarder la réactivité du cation en question par rapport à l'hydrogène sur la liste. Pourquoi en est-il ainsi ? Comme un élément ayant une réactivité plus faible sera plus facile(thermodynamiquement) à réduire, la réduction préférentielle à la cathode se fait sur l'élément ayant la réactivité la plus faible.
Résumé des règles
- Lecomposé doit être dissous dans l'eau.
- Électrode positive (anode) : l'hydroxyde est oxydé, sauf si l'anion en solution est monoatomique et de forte concentration.
- Électrodenégative (cathode) : de l'hydrogène est produit, sauf si le métal a une réactivité moindre.
Expérience sur l'électrolyse des solutions aqueuses : Étudier l'électrolyse d'une solution (RP)
Nous allons ici couvrir la pratique requise"Étudier l'électrolyse d'une solution"
Installe une cellule de réaction d'électrolyse simple (schéma dans la section suivante), et prépare les 5 solutions aqueuses suivantes pour effectuer l'électrolyse : chlorure de cuivre, chlorure de sodium, nitrate de potassium, bromure de sodium dilué, et sulfate de cuivre .
Quelles sont tes prévisions concernant ce qui sera produit à chaque électrode lors de l'électrolyse? Mets en marche la tension appropriée et exécute les réactions, en gardant toujours un œil sur le le le le.
Dans l'une des sections ci-dessous, nous verrons comment déterminer quel produit est fabriqué à chaque électrode à l'aide de tests indicateurs simples.
En te basant sur les règles que nous avons énoncées ci-dessus, tu peux prédire que les éléments suivants seront déchargés à chaque électrode :
| Solution aqueuse de : | À la cathode | À l'anode |
| chlorure de cuivre | Chlorure de cuivre | Chlore |
| chlorure de sodium | Hydrogène | Chlore |
| nitrate depotassium | Hydrogène | Oxygène |
| bromure de sodium dilué | Hydrogène | Oxygène |
| sulfate de cuivre | Cuivre | Oxygène |
Schéma de l'électrolyse d'une solution aqueuse
Tu peux voir ici un diagramme qui t'indique comment préparer ton exercice pratique obligatoire, ou toute réaction d'électrolyse impliquant une solution aqueuse, ici l'exemple concerne une solution aqueuse concentrée de chlorure de sodium (NaCl). L'essentiel est d'avoir la liste de tous les composants et de les disposer en conséquence. Dans la section suivante(méthodes), tu apprendras à utiliser le schéma suivant pour mettre en place ton expérience.
Les tubes à essai (flacons) au-dessus de chaque électrode sont là pour capturer le gaz. Si tu réalises une expérience qui ne dépend pas de l'évolution du gaz, ou même si tu n'as pas besoin de suivre la production de gaz, alors ce n'est pas nécessaire dans le diagramme. L'élément le plus important est le circuit complet, qui comprend les électrodes inertes reliées par le circuit externe et la solution aqueuse.
Le composé dissous, généralement ionique, qui compose la solution aqueuse est ce qui complète le circuit. La mobilité des particules chargées agit de la même manière que le flux d'électrons dans un fil - elles transmettent l'électricité et la charge avec l'apport d'énergie externe.
Fig. 2 : Schéma d'une cellule électrochimique. Schéma : revisechemistry.uk
Méthode d'électrolyse des solutions aqueuses
Tu peux effectuer une électrolyse sur des solutions aqueuses en suivant la procédure suivante. Suis les étapes ci-dessous après avoir obtenu les solutions sur lesquelles tu veux effectuer l'électrolyse:
- Remplis un grand bécher avec la solution désirée (sur laquelle tu veux effectuer une électrolyse ).
- Insère deux électrodes inertes (utilise des électrodes en graphite ou en platine).
- Si tu recueilles les gaz qui sont produits à chaque électrode, place un flacon au-dessus de chaque électrode.
- Relie les électrodes avec le fil et applique une tension.
- Observe l'évolution des gaz ou des composés à chaque électrode et note tes observations.
En suivant les étapes décrites ci-dessus, tu peux mettre en place la réaction d'électrolyse et adapter le dispositif expérimental à n'importe quel type d'expérience que tu réaliseras.
Indicateurs pour l'électrolyse d'une solution aqueuse
Dans cette section, nous allons aborder la façon dont tu peux tester les produits fabriqués à chaque électrode. Tu pourras utiliser ces connaissances lors des travaux pratiques requis sur l'étude de l'électrolyse de diverses solutions.
Les produits les plus courants que tu rencontreras sont des dépôts métalliques, de l'hydrogène gazeux, de l'oxygène gazeux ou du chlore gazeux. Tu trouveras ci-dessous quelques tests que tu peux faire pour savoir quel produit se forme à quelle électrode.
| Électrode | Produit en cours de fabrication | Test de l'indicateur |
| Cathode | Dépôt de métal | Accumulation physique de produit sur l'électrode (on peut faire un test de poids). |
| Cathode | Gaz hydrogène | Si tu allumes une attelle, un bruit sec et grinçant sera produit par le gaz recueilli dans le flacon. |
| Anode | Gaz d'oxygène | Si tu mets une attelle incandescente dans la fiole contenant le gaz recueilli, elle se rallumera. |
| Anode | Chlore gazeux | Un papier tournesol humide deviendra rouge et finira par être blanchi. |
Électrolyse des solutions aqueuses - Principaux enseignements
- L'électrolyse d'une solution aqueuse consiste à appliquer une tension à un composé ionique dissous.
- L'électrode positive est appelée anode et facilite l'oxydation.
- À l'électrode positive, l'anion ne se décharge que s'il est monoatomique et de forte concentration. (Sinon, il y a production de gaz oxygène). (Dans le cas contraire, de l'oxygène gazeux est produit).
- L'électrode négative est appelée cathode et facilite la réduction.
- À l'électrode négative, le métal est déchargé s'il a une réactivité inférieure à celle de l'hydrogène dans la série des réactivités. (Dans le cas contraire, de l'hydrogène gazeux est produit).
- La solution aqueuse agit pour compléter le circuit entre les électrodes en raison de la mobilité des particules chargées (ions).
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