Courant électrique dans les électrolytes
Le courant électrique dans les électrolytes est toujours lié au transfert de matière. Dans les métaux et les semi-conducteurs, par exemple, la matière lorsque le courant les traverse n'est pas transférée, car dans ces milieux, les électrons et les trous sont des porteurs de courant, mais dans les électrolytes, ils sont transférés. En effet, dans les électrolytes, les ions chargés positivement et négativement de la substance agissent comme des porteurs de charges libres, et non comme des électrons ou des trous.
Les composés fondus de nombreux métaux, ainsi que certains solides, appartiennent aux électrolytes. Mais les principaux représentants de ce type de conducteurs, largement utilisés dans la technologie, sont des solutions aqueuses d'acides inorganiques, de bases et de sels.
La substance, lorsqu'un courant électrique traverse le milieu électrolytique, est libérée sur les électrodes. Ce phénomène est appelé électrolyse… Lorsqu'un courant électrique traverse l'électrolyte, les ions chargés positivement et négativement de la substance se déplacent simultanément dans des directions opposées.
Les ions chargés négativement (anions) se précipitent vers l'électrode positive de la source de courant (anode) et les ions chargés positivement (cations) vers son pôle négatif (cathode).
Les sources d'ions dans les solutions aqueuses d'acides, de bases et de sels sont des molécules neutres, dont certaines se divisent sous l'action d'une force électrique appliquée. Ce phénomène de séparation des molécules neutres est appelé dissociation électrolytique. Par exemple, le chlorure de cuivre CuCl2 se décompose lors de la dissociation en solution aqueuse en ions chlorure (chargés négativement) et en cuivre (chargés positivement).
Lorsque les électrodes sont connectées à une source de courant, le champ électrique commence à agir sur les ions dans une solution ou à fondre, car les anions de chlore se déplacent vers l'anode (électrode positive) et les cations de cuivre vers la cathode (électrode négative).
En atteignant l'électrode négative, les ions de cuivre chargés positivement sont neutralisés par les électrons en excès à la cathode et deviennent des atomes neutres qui se déposent sur la cathode. En atteignant l'électrode positive, les ions chlore chargés négativement cèdent chacun un électron lors de l'interaction avec la charge positive de l'anode. Dans ce cas, les atomes de chlore neutre formés se combinent par paires pour former des molécules de Cl2 et le chlore est libéré sous forme de bulles de gaz à l'anode.
Souvent, le processus d'électrolyse s'accompagne de l'interaction de produits de dissociation (c'est ce qu'on appelle des réactions secondaires), lorsque les produits de décomposition libérés sur les électrodes interagissent avec le solvant ou directement avec le matériau des électrodes. Prenons, par exemple, l'électrolyse d'une solution aqueuse de sulfate de cuivre (sulfate de cuivre — CuSO4).Dans cet exemple, les électrodes seront en cuivre.
La molécule de sulfate de cuivre se dissocie pour former un ion cuivre chargé positivement Cu+ et un ion sulfate chargé négativement SO4-. Les atomes de cuivre neutres sont déposés sous forme de dépôt solide sur la cathode. De cette manière, du cuivre chimiquement pur est obtenu.
L'ion sulfate donne deux électrons à l'électrode positive et devient le radical neutre SO4, qui réagit immédiatement avec l'anode de cuivre (réaction d'anode secondaire). Le produit de réaction à l'anode est le sulfate de cuivre, qui passe en solution.
Il s'avère que lorsqu'un courant électrique traverse une solution aqueuse de sulfate de cuivre, l'anode de cuivre se dissout simplement progressivement et le cuivre se précipite sur la cathode.Dans ce cas, la concentration de la solution aqueuse de sulfate de cuivre ne change pas.
En 1833, le physicien anglais Michael Faraday, au cours de travaux expérimentaux, établit la loi de l'électrolyse, qui porte aujourd'hui son nom.
La loi de Faraday vous permet de déterminer la quantité de produits primaires qui sont libérés sur les électrodes lors de l'électrolyse. La loi stipule ce qui suit : "La masse m de la substance libérée sur l'électrode lors de l'électrolyse est directement proportionnelle à la charge Q qui a traversé l'électrolyte."
Le facteur de proportionnalité k dans cette formule est appelé l'équivalent électrochimique.
La masse de la substance qui est libérée sur l'électrode lors de l'électrolyse est égale à la masse totale de tous les ions qui sont arrivés à cette électrode :
La formule contient la charge q0 et la masse m0 d'un ion, ainsi que la charge Q qui a traversé l'électrolyte. N est le nombre d'ions qui sont arrivés à l'électrode lorsque la charge Q a traversé l'électrolyte.Par conséquent, le rapport de la masse de l'ion m0 à sa charge q0 est appelé l'équivalent électrochimique de k.
Puisque la charge d'un ion est numériquement égale au produit de la valence de la substance et de la charge élémentaire, l'équivalent chimique peut être représenté sous la forme suivante :
Où : Na est la constante d'Avogadro, M est la masse molaire de la substance, F est la constante de Faraday.
En fait, la constante de Faraday peut être définie comme la quantité de charge qui doit traverser l'électrolyte pour libérer une mole de substance monovalente sur l'électrode. La loi de Faraday sur l'électrolyse prend alors la forme :
Le phénomène d'électrolyse est largement utilisé dans la production moderne. Par exemple, l'aluminium, le cuivre, l'hydrogène, le dioxyde de manganèse et le peroxyde d'hydrogène sont produits industriellement par électrolyse. De nombreux métaux sont extraits des minerais et traités par électrolyse (électroraffinage et électroextraction).
De plus, grâce à l'électrolyse, sources de courant chimiques… L'électrolyse est utilisée dans le traitement des eaux usées (électroextraction, électrocoagulation, électroflottation). De nombreuses substances (métaux, hydrogène, chlore, etc.) sont obtenues par électrolyse pour la galvanoplastie et la galvanoplastie.
Voir également:Production d'hydrogène par électrolyse de l'eau — technologie et équipement