Fiche de physique - chimie
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Transformations forcées

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I. Des transformations spontanées aux transformations forcées

1. Transformations spontanées

Dans la pile à combustible, le dihydrogène H2(g) et le dioxygène O2(g) sont utilisés ; l'équation de la réaction est 2H2(g) + O2(g) \longrightarrow 2H2O(l).
Transformations forcées et électrolyse : image 1
L'évolution spontanée du système libère de l'énergie électrique.

Est-il possible d'inverser le sens d'évolution du système chimique en fournissant de l'énergie électrique ?

2. Transformations forcées

Expérience :
  • dans un électrolyseur, on met de l'eau rendue conductrice par ajout d'acide sulfurique ;
  • on relie l'électrolyseur à un générateur de tension.
Transformations forcées et électrolyse : image 3

Résultats :
On observe un dégagement gazeux à la surface des électrodes :
  • le gaz dégagé à la cathode brûle avec une petite détonation : c'est H2
  • le gaz dégagé à l'anode ravive la combustion d'une allumette : c'est O2.

Interprétation :
L'équation de la réaction est 2H2O(l) \longrightarrow 2H2(g) + O2(g).
Elle représente la transformation inverse de celle de l'évolution spontanée.
La réaction d'électrolyse est une transformation forcée : elle a lieu grâce à l'apport d'énergie électrique fournie par le générateur. Elle s'arrête dès que l'apport d'énergie s'arrête.

Remarques :
  • lors d'une transformation forcée, le système chimique ne respecte pas le critère d'évolution spontanée :
Transformations forcées et électrolyse : image 4
  • pour que le système évolue en sens inverse du sens spontané, le générateur doit imposer une tension minimale aux bornes de l'électrolyseur.


II. Électrolyse

1. Définitions


L'électrolyse est une transformation forcée dûe à la circulation d'un courant imposé par un générateur de tension continue.

Le sens du courant de l'électrolyse, imposé par le générateur, est l'inverse de celui qui serait observé si le système évoluait spontanément.

Un électrolyseur est un récipient qui contient deux électrodes reliée à un générateur de tension continue.

Transformations forcées et électrolyse : image 2


L'électrode à laquelle se produit la réduction est la cathode.
Exemple : ( 2H+ + 2e- \longrightarrow H2(g) ) x2

L'électrode à laquelle se produit l'oxydation est l'anode.
Exemple : 2H2O(l) \longrightarrow O2(g) + 4H+ + 4e-

Bilan de l'électrolyse : 2H20 \longrightarrow 2H2 + O2.



2. Étude d'une électrolyse

L'électrolyse est une transformation forcée par le générateur.


on connait le sens du courant
on fait le bilan des espèces présentes dans l'électrolyseur : espèces du soluté, solvant, les électrodes.
On envisage
  • les réductions possibles à la cathode
  • les oxydations possibles à l'anode
C'est l'analyse des produits formés qui permet de déterminer les réactions qui se produisent réellement aux électrodes.

3. Pour l'exemple choisi : électrolyse d'une solution d'acide sulfurique (H2SO4)
avec électrode en platine (Pt)

Les espèces présentes sont H2O, H3O+, SO42-, Pt
Les couples en jeu sont O2/H2O, H2O/H2, H+/H2 (ou H3O+/H2), S2O82-/SO42-, SO42-/SO2 et Pt2+/Pt.

Les oxydants qui peuvent être réduits à la cathode sont H2O, H+, SO42-.
Les réducteurs qui peuvent être oxydés à l'anode sont H2O, SO42-, Pt.

L'expérience montre que
  • H2 se dégage à la cathode
  • O2 se dégage à l'anode.
Donc H+ réagit à la cathode, l'équation de la réaction est ( 2H+ + 2e- \longrightarrow H2 ) x2
H2O réagit à l'anode, l'équation de la réaction est 2H2O \longrightarrow O2 + 4H+ + 4e-.
Le bilan de l'électrolyse s'obtient en additionnant les équations précédentes après avoir équilibré le nombre d'électrons : 2H2O \longrightarrow 2H2 + O2.

Conclusion : Le générateur impose le sens du courant et force le système à évoluer dans le sens de la décomposition de l'eau qui est le solvant de la solution électrolysée.

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