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Électrolyse et générateurs électrochimiques

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Constitution et fonctionnement d’un électrolyseur

Fonctionnement d’une électrolyse

  • Un électrolyseur est un dispositif physique auquel de l’énergie électrique est fournie pour réaliser une transformation chimique non spontanée, c’est-à-dire pour effectuer une électrolyse.
  • Une électrolyse est une méthode permettant de convertir l’énergie électrique en énergie chimique. Des réactions chimiques sont donc activées grâce à l’apport d’un courant électrique.
  • Un générateur de courant continu fournit des électrons qui forceront la réaction chimique à avoir lieu dans le sens opposé à celui observé lors d’une réaction chimique spontanée. Le générateur est relié au circuit par deux électrodes plongées dans une solution électrolytique.

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  • L’équation de la réaction support de l’électrolyse est une réaction d’oxydoréduction non spontanée.
  • Les bornes positive et négative sont inversées entre la pile et l’électrolyseur.

Charge électrique mise en jeu lors d’une électrolyse

  • Le générateur de l’électrolyseur délivre un courant continu d’intensité II (en A\text{A}), ainsi la charge électrique QQ (en C\text{C}, As\text{As} ou Ah\text{Ah}) est la charge qui circule dans le circuit électrique pendant une durée Δt\Delta t (en s\text{s}) :

Q=IΔt\boxed{Q = I \Delta t}

  • Lors d’une électrolyse, la réaction chimique met en jeu nn électrons circulant dans le circuit, ainsi la charge électrique QQ est proportionnelle au nombre d’électrons échangés aux électrodes soit :

Q=n×NA×e=n×F\begin{aligned} Q&= n \times N_\text{A} \times e \ &= \boxed{n \times \text{F}} \end{aligned}

Avec :

  • nn la quantité de matière en mole (mol)(\text{mol}) ;
  • NAN_\text{A} la constante d’Avogadro égale à 6,02×1023 mol16,02\times 10^{23}\ \text{mol}^{-1} ;
  • ee la charge élémentaire environ égale à 1,60×1019 C1,60\times10^{-19}\ \text{C} ;
  • F\text{F} la constante de Faraday environ égale à 96 500 Cmol196\ 500\ \text{C}\cdot \text{mol}^{-1}.

L’électrolyse de l’eau

  • La réaction de décomposition de l’eau est une réaction non spontanée, elle n’a donc lieu que dans un électrolyseur et met en jeu les deux couples redox suivants : H+/H2\text{H}^+/\text{H}2 et O2/H2O\text{O}2/\text{H}_2\text{O}.

Cathode Réaction de réduction des molécules d’eau 2H2O()O2,(g)+4H(aq)++4e2\text{H}2\text{O}{(\ell)} \to \text{O}{2,(\text{g})}+4\text{H}^+{(\text{aq})} + 4e^-
Anode Réaction d’oxydation des ions H+\text{H}^+ 2H(aq)++2eH2,(g)2\text{H}^+{(\text{aq})}+2e^- \to \text{H}{2,(\text{g})}
Équation bilan Réaction d’oxydoréduction non spontanée 2H2O(g)2H2,()+O2,(g)2\text{H}2\text{O}{(\text{g})} \leftrightharpoons 2\text{H}{2,(\ell)}+\text{O}{2,(\text{g})}

Stockage et conversion de l’énergie chimique

  • Les ressources renouvelables présentent une limite importante : elles ne sont disponibles que lorsque certaines conditions sont réunies, ce qui peut nous limiter dans leur utilisation.
  • Il faut donc mettre en place un moyen de stocker cette énergie lorsqu’elle est disponible, afin de pouvoir la réutiliser au besoin, même au moment où les conditions ne sont plus réunies.
  • Un accumulateur est un système de stockage de l’énergie électrique et apte à la recharge.
  • Il fonctionne comme un générateur d’énergie chimique quand sa réaction se fait dans le sens spontané.
  • Il fonctionne comme un récepteur d’énergie électrique quand sa réaction se fait dans le sens non spontané.

Le mode de fonctionnement d’un accumulateur se base sur deux phases, pour les développer nous allons prendre l’exemple de l’accumulateur au plomb.

Accumulateur Charge Décharge
Principe Il reçoit de l’énergie électrique d’un générateur qui est transformée en énergie chimique pour réaliser une réaction non spontanée Il fournit de l’énergie chimique au circuit électrique issue de l’énergie chimique produite au cours d’une réaction spontanée
Anode Pb(aq)2++2H2O()PbO2,(aq)+4H++2e\text{Pb}^{2+}{\text{(aq)}} + 2\text{H}2\text{O}{(\ell)} \to \text{PbO}{2,\text{(aq)}} +4\text{H}^+ + 2e^- Pb(s)Pb(aq)2++2e\text{Pb}{\text{(s)}}\to\text{Pb}^{2+}{\text{(aq)}} + 2e^-
Cathode Pb(aq)2++2ePb(s)\text{Pb}^{2+}{\text{(aq)}} + 2e^- \to \text{Pb}{\text{(s)}} PbO2(s)+4H++2ePb(aq)2++2H2O()\text{PbO}{2{\text{(s)}}} +4\text{H}^+ + 2e^-\to\text{Pb}^{2+}{\text{(aq)}} + 2\text{H}2\text{O}{(\ell)}
Équation bilan 2Pb(aq)2++2H2O()PbO2,(aq)+Pb(s)+4H+\blue{2\text{Pb}^{2+}{\text{(aq)}}} + \blue{2\text{H}2\text{O}{(\ell)}} \to \green{\text{PbO}{2,\text{(aq)}}} +\green{\text{Pb}{\text{(s)}}}+4\text{H}^+ PbO2,(aq)+Pb(s)+4H+2Pb(aq)2++2H2O()\green{\text{PbO}{2,\text{(aq)}}} +\green{\text{Pb}{\text{(s)}}}+4\text{H}^+ \to \blue{2\text{Pb}^{2+}{\text{(aq)}}} + \blue{2\text{H}2\text{O}{(\ell)}}