🔋 L'électrolyse : forcer une réaction
Une pile, c'est une réaction qui se laisse aller toute seule. L'électrolyse, c'est l'inverse : un générateur pousse les électrons à contre-courant et oblige la réaction à se faire. Décompose l'eau en dihydrogène et dioxygène, recouvre une clé de cuivre, fabrique du dichlore… puis débranche tout pour voir l'électrolyseur se transformer en pile !
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Les électrons quittent l'anode, reliée à la borne + du générateur : c'est là que se produit l'oxydation. Ils arrivent à la cathode, reliée à la borne −, siège de la réduction.
- Dans la solution, le courant est porté par les ions : les cations migrent vers la cathode et les anions vers l'anode. Aucun électron ne traverse la solution !
- Dans l'électrolyse de l'eau, il se forme toujours deux fois plus de dihydrogène que de dioxygène : 4 électrons produisent 2 H2 mais un seul O2.
- Avec une anode en cuivre, la plaque perd exactement la masse de cuivre qui se dépose sur la clé : la concentration en ions Cu2+ ne change pas.
- Si l'on remplace le générateur par une résistance, le dihydrogène et le dioxygène formés réagissent spontanément : le courant circule dans l'autre sens et les rôles d'anode et de cathode s'échangent. C'est une pile à combustible.
Expériences à faire
- Combien de temps faut-il pour déposer 1,0 g de cuivre avec I = 1,0 A ? Et avec I = 2,0 A ? Vérifie tes calculs avec la minuterie.
- Inverse les bornes pendant le cuivrage : que devient le cuivre déjà déposé, puis la clé elle-même ?
- Pourquoi les volumes de dihydrogène et de dichlore sont-ils égaux dans l'électrolyse de la saumure ?
- Après avoir produit 40 mL de dihydrogène, fais fonctionner la pile à combustible : pendant combien de temps peut-elle débiter ? Lequel des deux gaz s'épuise en premier ?
- Coche ✏️ Mes valeurs et prends un rendement de 80 % : combien de temps faut-il alors pour déposer 1,0 g de cuivre avec I = 1,0 A ?
La chimie derrière l'animation
- Électrolyse : transformation forcée, imposée par un générateur, dans le sens inverse de l'évolution spontanée. Anode : oxydation (borne +) ; cathode : réduction (borne −). Dans une pile, c'est l'inverse : l'anode est le pôle −.
- Charge électrique : Q = I × Δt (Q en coulombs, I en ampères, Δt en secondes). Quantité d'électrons échangés : n(e−) = Q / F, avec F = NA × e = 96 485 C/mol.
- Eau acidifiée : à l'anode 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e−, à la cathode 2 H+ + 2 e− → H2. Donc n(H2) = n(e−) / 2, n(O2) = n(e−) / 4 et V = n × Vm (Vm = 24,0 L/mol à 20 °C).
- Cuivrage : Cu2+ + 2 e− → Cu à la cathode, donc m(Cu) = n(e−) / 2 × M(Cu), avec M(Cu) = 63,55 g/mol. On néglige ici le dépôt spontané de cuivre sur le fer (Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu).
- Saumure : 2 Cl− → Cl2 + 2 e− à l'anode, 2 H2O + 2 e− → H2 + 2 HO− à la cathode : on fabrique du dichlore et de la soude. Le modèle suppose un rendement de 100 % (réglable avec ✏️ Mes valeurs) et néglige la dissolution des gaz.
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