La chimie forcée par l’électricité
Une électrolyse impose, grâce à un générateur, une réaction d’oxydoréduction qui ne se produirait pas spontanément : des ions métalliques captent des électrons à la cathode et se déposent sous forme de métal, ou l’eau se décompose en dihydrogène et dioxygène. C’est ainsi qu’on produit l’aluminium, le dichlore, la soude et le cuivre pur, et qu’on protège ou décore des objets par galvanoplastie : zingage, nickelage, argenture, dorure.
La loi de Faraday
En 1834, Michael Faraday a montré que la quantité de matière produite est proportionnelle à la quantité d’électricité qui traverse le circuit :
- Quantité d’électricité Q = I × Δt (ampères × secondes = coulombs)
- Quantité d’électrons n(e⁻) = Q ÷ F, avec F = 96 485 C/mol
- Masse déposée m = Q × M ÷ (n × F)
- Durée pour une masse visée Δt = m × n × F ÷ (M × I)
M est la masse molaire et n le nombre d’électrons de la demi-équation (2 pour Cu²⁺ + 2 e⁻ = Cu). Le rendement faradique réduit Q quand une partie du courant alimente des réactions parasites.
Exemple chiffré : cuivrage
Un courant de 2,0 A traverse une solution de sulfate de cuivre pendant 30 minutes, avec un rendement de 100 %.
- Q = 2,0 × 1 800 = 3 600 C, soit exactement 1 ampère-heure.
- n(e⁻) = 3 600 ÷ 96 485 = 0,0373 mol.
- n(Cu) = 0,0373 ÷ 2 = 0,0187 mol.
- m = 0,0187 × 63,55 = 1,186 g de cuivre.
- Pour déposer 5 g, il faut faire passer le même courant pendant 126,5 minutes.
Masse déposée par ampère-heure
| Espèce | n | Masse par Ah |
|---|---|---|
| Argent Ag⁺ | 1 | 4,02 g |
| Cuivre Cu²⁺ | 2 | 1,19 g |
| Zinc Zn²⁺ | 2 | 1,22 g |
| Nickel Ni²⁺ | 2 | 1,09 g |
| Or Au³⁺ | 3 | 2,45 g |
| Aluminium Al³⁺ | 3 | 0,34 g |
| Dihydrogène H₂ | 2 | 0,038 g |
L’aluminium demande trois électrons par atome pour une masse molaire faible : les cuves d’électrolyse industrielles, comme celles de l’usine de Dunkerque, fonctionnent avec plusieurs centaines de milliers d’ampères.
Le rendement faradique
Tous les électrons ne servent pas à la réaction voulue : le dégagement de dihydrogène à la cathode, les impuretés et les fuites de courant réduisent le rendement. L’affinage du cuivre atteint 95 à 98 %, le nickelage environ 95 %, mais le chromage dur seulement 10 à 25 %. Indiquez le rendement pour obtenir une masse ou une durée réaliste.
Épaisseur du dépôt
Pour passer d’une masse à une épaisseur, divisez par la masse volumique et par la surface traitée. Par exemple, 1,186 g de cuivre (8,96 g/cm³) répartis sur 50 cm² forment une couche d’environ 26 µm.
Production de dihydrogène
L’électrolyse de l’eau consomme 2 électrons par molécule de H₂. Un kilogramme de dihydrogène demande environ 26 600 Ah ; sous les 1,8 à 2 V d’un électrolyseur réel, cela représente environ 50 kWh d’électricité, un ordre de grandeur clé des débats sur l’hydrogène vert.