Classe 12

Électrolyse, corrosion et protection des métaux

Utiliser l’électricité pour forcer une réaction à aller à l’envers, et la même électrochimie derrière la rouille.

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IntuitionIntuition : une pile qui fonctionne à l’envers

Une pile produit de l’électricité à partir d’une réaction spontanée. Dans l’électrolyse, une source extérieure pousse les électrons en sens inverse et force une réaction non spontanée, comme la décomposition de l’eau. L’oxydation a toujours lieu à l’anode et la réduction à la cathode, mais l’anode est maintenant le pôle positif et la cathode le pôle négatif.

Changez l’intensité et la durée. Le volume de

\ce{H2}

est toujours le double de celui de

\ce{O2}

et croît proportionnellement à la charge

It

ScolaireNiveau scolaire : la loi de Faraday

n(e^-) = \frac{It}{F},\qquad m = \frac{M\,I\,t}{z\,F},\qquad F = 96485\ \text{C/mol}

Exemple: Cuivrage

Un courant de 2,0 A traverse une solution de $\ce{CuSO4}$ pendant 30 min. Quelle masse de cuivre se dépose à la cathode ?

Solution

$Q = It = 2{,}0 \times 1800 = 3600$ C donc $n(e^-) = 3600/96485 = 0{,}0373$ mol. $\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}$ demande 2 électrons par atome : $n(\ce{Cu}) = 0{,}0187$ mol et $m = 0{,}0187 \times 63{,}55 \approx 1{,}19$ g.

Lors de l’électrolyse de l’eau : $\ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}$ à la cathode et $\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}$ à l’anode. Il faut quatre électrons pour un $\ce{O2}$ mais deux seulement pour un $\ce{H2}$ , d’où le rapport de volumes 2 : 1.

UniversitaireNiveau universitaire : la corrosion comme pile court-circuitée

La rouille est une minuscule pile à la surface du fer. Là où le fer est à nu, il joue le rôle d’anode, $\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}$ ; ailleurs, où il y a de l’oxygène et de l’eau, a lieu la réaction cathodique $\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}$ . Les produits donnent $\ce{Fe(OH)2}$ puis l’oxyde de fer(III) hydraté, la rouille.

Pour protéger le fer, on le recouvre (peinture, zinc) ou on le relie à un métal plus facilement oxydable comme le zinc ou le magnésium : l’« anode sacrificielle » se corrode à sa place. Le zinc convient car $E^\circ(\ce{Zn^2+/Zn}) = -0{,}76$ V est inférieur à $E^\circ(\ce{Fe^2+/Fe}) = -0{,}44$ V.