??lectrolyse

Illustration d'un appareil d'??lectrolyse utilis?? dans un laboratoire de l'??cole.

Dans la chimie et la fabrication , l'??lectrolyse est un proc??d?? d'utilisation d'un direct courant ??lectrique continu (CC) ?? conduire une r??action chimique spontan??e autrement non. L'??lectrolyse est tr??s importante dans le commerce comme une ??tape dans la s??paration d' ??l??ments ?? partir de sources naturelles, telles que minerais utilisant un cellule ??lectrolytique.

Histoire

Le mot vient de l'??lectrolyse grec ἤλεκτρον [Ɛ̌ːlektron] "orange" et λύσις [Lyse] ??dissolution??.

• 1785 - G??n??rateur ??lectrostatique de van Marum Martinus a ??t?? utilis?? pour r??duire l'??tain , le zinc et l'antimoine ?? partir de leurs sels ?? l'aide de l'??lectrolyse.
• 1800 - William Nicholson et Johann Ritter d??compose l'eau en hydrog??ne et oxyg??ne .
• 1807 - de potassium , de sodium , de baryum , de calcium et de magn??sium ont ??t?? d??couverts par Sir Humphry Davy utilisant l'??lectrolyse.
• 1875 - Paul ??mile Lecoq de Boisbaudran d??couvert gallium utilisant l'??lectrolyse.
• 1886 - Fluor a ??t?? d??couvert par Henri Moissan par ??lectrolyse.
• 1886 - Proc??d?? Hall-H??roult d??velopp?? pour faire l'aluminium
• 1890 - Processus Castner-Kellner d??velopp?? pour faire de l'hydroxyde de sodium

Vue d'ensemble

L'??lectrolyse est le passage d'un direct un courant ??lectrique ?? travers ionique substance qui est soit fondu ou dissous dans un solvant appropri??, ce qui entra??ne des r??actions chimiques au niveau des ??lectrodes et la s??paration des mati??res.

Les principaux composants n??cessaires pour r??aliser l'??lectrolyse sont les suivantes:

• Une ??lectrolyte: un gratuits substance contenant des ions qui sont les porteurs de courant ??lectrique dans le ??lectrolyte. Si les ions ne sont pas mobiles, comme dans un sel solide peut ensuite ??lectrolyse se produit pas.
• Un courant continu (CC) approvisionnement direct: fournit l' ??nergie n??cessaire pour cr??er ou d??charger les ions dans le ??lectrolyte. Le courant ??lectrique est transport?? par les ??lectrons dans le circuit externe.
• Deux ??lectrodes: un conducteur ??lectrique qui assure l'interface physique entre la le circuit ??lectrique fournissant l'??nergie et le ??lectrolyte

Les ??lectrodes de m??tal , et graphite semi-conducteur mat??riau sont largement utilis??s. Choix de la cha??ne de mesure appropri??e d??pend de la r??activit?? chimique entre l'??lectrode et l'??lectrolyte et le co??t de fabrication.

Proc??d?? de l'??lectrolyse

Le processus de l'??lectrolyse cl?? est l'??change d'atomes et d'ions par l'??limination ou l'addition d'??lectrons provenant du circuit externe. Les produits de l'??lectrolyse sont requises dans un ??tat physique diff??rent de l'??lectrolyte et peuvent ??tre ??limin??s par des processus physiques. Par exemple, dans l'??lectrolyse de saumure pour produire de l'hydrog??ne et du chlore, les produits sont gazeux. Ces produits gazeux bulle de l'??lectrolyte et sont collect??es.

2 NaCl + H 2 O ₂ → 2 NaOH + H ₂ + Cl ₂

Un liquide contenant des ions mobiles (??lectrolyte) est produit par:

• La solvatation ou une r??action de compos?? ionique avec un solvant (tel que l'eau) pour produire des ions mobiles
• Un compos?? ionique est fondu (fusionn??) par chauffage

Un potentiel ??lectrique est appliqu?? ?? travers une paire de des ??lectrodes immerg??es dans l'??lectrolyte.

Chaque ??lectrode attire les ions qui sont le contraire de la charge . Ions charg??s positivement ( cations ) se d??placer vers le (n??gatif) cathode ??lectronique fournissant, alors que les ions charg??s n??gativement ( anions ) se d??placent vers l'anode positive.

Au niveau des ??lectrodes, des ??lectrons sont absorb??s ou lib??r??s par les atomes et ions. Ces atomes qui gagnent ou perdent des ??lectrons pour devenir des ions charg??s passent dans l'??lectrolyte. Ces ions qui gagnent ou perdent des ??lectrons pour devenir atomes non charg??s s??parent de l'??lectrolyte. La formation d'atomes non charg??s d'ions est appel?? d??charge.

L'??nergie n??cessaire pour amener les ions ?? migrer vers les ??lectrodes, et l'??nergie n??cessaire pour provoquer le changement d'??tat ionique, sont fournies par la source externe de potentiel ??lectrique.

L'oxydation et la r??duction au niveau des ??lectrodes

L'oxydation des ions ou des mol??cules neutres se produit ?? la anode, et la r??duction des ions ou des mol??cules neutres se produit ?? la cathode. Par exemple, il est possible d'oxyder les ions ferreux en ions ferriques ?? l'anode:

Fe 2+
aq → Fe 3+
aq + e ^-

Il est ??galement possible de r??duire ions ferricyanure ?? ions ferrocyanure ?? la cathode:

Fe (CN) 3-
6 + e ^- → Fe (CN) 4-
6

Mol??cules neutres peuvent aussi r??agir ?? chaque ??lectrode. Par exemple: p-benzoquinone peut ??tre r??duite ?? l'hydroquinone ?? la cathode:

+ 2 e ^- + 2 H ⁺ →

Dans le dernier exemple, les ions H ⁺ (ions d'hydrog??ne) prennent ??galement part ?? la r??action, et sont fournies par un acide dans la solution, elle-m??me ou le solvant (eau, m??thanol, etc.). r??actions d'??lectrolyse impliquant des ions H ⁺ sont assez fr??quentes dans les solutions acides. Dans des solutions aqueuses alcalines, les r??actions impliquant OH ^- (ions hydroxyde) sont communs.

Les substances oxyd??es ou r??duites peuvent aussi ??tre le solvant (habituellement de l'eau) ou les ??lectrodes. Il est possible d'avoir des gaz d'??lectrolyse comportant.

changements de l'??nergie au cours de l'??lectrolyse

La quantit?? d'??nergie ??lectrique qui doit ??tre ajout??e est ??gale ?? la variation de l'??nergie libre de Gibbs de la r??action ainsi que les pertes dans le syst??me. Les pertes peuvent (en th??orie) ??tre arbitrairement proche de z??ro, de sorte que le maximum de thermodynamique efficacit?? est ??gale ?? la enthalpie changement divis??e par la variation de l'??nergie libre de la r??action. Dans la plupart des cas, l'entr??e ??lectrique est sup??rieure ?? la variation d'enthalpie de la r??action, de sorte que de l'??nergie est lib??r??e sous forme de chaleur. Dans certains cas, par exemple, dans l'??lectrolyse de la vapeur en hydrog??ne et en oxyg??ne ?? haute temp??rature, le contraire est vrai. La chaleur est absorb??e ?? partir de l'environnement, et la pouvoir calorifique de l'hydrog??ne produit est plus ??lev?? que l'entr??e ??lectrique.

Techniques connexes

Les techniques suivantes sont li??es ?? l'??lectrolyse:

• Les cellules ??lectrochimiques, y compris de l'hydrog??ne pile ?? combustible, utiliser les diff??rences de Potentiel d'??lectrode standard afin de g??n??rer un potentiel ??lectrique ?? partir de laquelle la puissance utile peut ??tre extraite. Bien que li??s par l'interaction des ions et des ??lectrodes, l'??lectrolyse et le fonctionnement des cellules ??lectrochimiques sont tout ?? fait distincts. Une cellule chimique ne devrait pas ??tre consid??r?? comme ex??cutant "l'??lectrolyse ?? l'envers??.

Lois de Faraday

Premi??re loi de l'??lectrolyse

En 1832, Michael Faraday a indiqu?? que la quantit?? d'??l??ments s??par??s en faisant passer un courant ??lectrique ?? travers un fondu ou dissous sel est proportionnelle ?? la quantit?? de charge ??lectrique pass??e ?? travers le circuit. Ce est devenu la base de la premi??re loi de l'??lectrolyse:

Deuxi??me loi de l'??lectrolyse

Faraday a d??couvert que, lorsque la m??me quantit?? d'??lectricit?? passe ?? travers diff??rents ??lectrolytes connect??s en s??rie, la masse de substance lib??r??e / d??pos?? sur les ??lectrodes est directement proportionnel ?? leurs poids ??quivalents.

Les utilisations industrielles

Processus-H??roult de r??ception ?? la production de l'aluminium

• La production d' aluminium , lithium , sodium , potassium , magn??sium , calcium
• Coulom??triques techniques peuvent ??tre utilis??es pour d??terminer la quantit?? de mati??re transform??e au cours de l'??lectrolyse en mesurant la quantit?? d'??lectricit?? n??cessaire pour effectuer l'??lectrolyse
• La production de chlore et d'hydroxyde de sodium
• La production de le chlorate de sodium et chlorate de potassium
• La production de compos??s organiques perfluor??s, tels que l'acide trifluoroac??tique
• La production de ??lectrolytique de cuivre en tant que cathode, de raffin?? cuivre de puret?? inf??rieure comme une anode.

L'??lectrolyse a beaucoup d'autres utilisations:

• Electrometallurgy est le processus de r??duction des m??taux ?? partir de compos??s m??talliques pour obtenir la forme pure de m??tal par ??lectrolyse. Par exemple, l'hydroxyde de sodium sous sa forme fondue est s??par?? par ??lectrolyse en sodium et l'oxyg??ne, qui ont tous deux utilisations importantes de produits chimiques. (L'eau est produite en m??me temps).
• L'anodisation est un proc??d?? ??lectrolytique qui rend la surface des m??taux r??sistant ?? la corrosion . Par exemple, les navires sont enregistr??s d'??tre corrod?? par l'oxyg??ne dans l'eau par ce proc??d??. Le proc??d?? est ??galement utilis?? pour d??corer des surfaces.
• Un batterie fonctionne par le processus inverse ?? l'??lectrolyse.
• La production d' oxyg??ne pour engins spatiaux et sous-marins nucl??aires.
• Galvanoplastie est utilis?? dans la superposition des m??taux pour les fortifier. Galvanoplastie est utilis?? dans de nombreuses industries ?? des fins fonctionnelles ou d??coratives, comme dans les carrosseries de v??hicules et pi??ces de nickel.
• La production de l'hydrog??ne comme combustible, en utilisant une source d'??nergie ??lectrique pas cher.
• Gravure ??lectrolytique de surfaces m??talliques comme des outils ou des couteaux avec une marque permanente ou un logo.

L'??lectrolyse est ??galement utilis?? dans le nettoyage et la conservation d'objets anciens. Parce que le processus s??pare les particules non m??talliques de ceux m??talliques, il est tr??s utile pour le nettoyage des vieilles pi??ces de monnaie et m??me des objets plus grands.

La concurrence demi-r??actions en solution ??lectrolyse

Utilisation d'une cellule contenant des ??lectrodes en platine inertes, l'??lectrolyse de solutions aqueuses de certains sels conduit ?? la r??duction des cations (par exemple, le d??p??t de m??tal avec, par exemple, des sels de zinc) et ?? l'oxydation des anions (par exemple, l'??volution de brome avec des bromures). Cependant, avec des sels de certains m??taux (par exemple sodium) de l'hydrog??ne se d??gage ?? la cathode, et des sels contenant des anions (par exemple, sulfate SO ₄ ^2-) de l'oxyg??ne se d??gage ?? l'anode. Dans les deux cas, cela est d?? ?? l'eau ??tant r??duite pour former de l'hydrog??ne ou oxyd?? pour former de l'oxyg??ne. En principe, la tension n??cessaire pour ??lectrolyser une solution de sel peut ??tre d??riv?? de la potentiel d'??lectrode standard pour les r??actions ?? l'anode et la cathode. Le potentiel d'??lectrode standard est directement li??e ?? l' ??nergie libre de Gibbs , Ag, pour les r??actions ?? chaque ??lectrode et se r??f??re ?? une ??lectrode sans courant. Un extrait du table des potentiels d'??lectrode standard est indiqu?? ci-dessous.

Demi-r??action	E ?? (V)	Ref.
Na + + e - Na (s)	-2,71
Zn 2+ + 2 e - Zn (s)	-0,7618
2H + + 2 e - H 2 (g)	≡ 0
Br 2 (aq) + 2 e - 2Br -	1,0873
O 2 (g) + 4H + + 4 e - 2H 2 O	1,23
Cl 2 (g) + 2 e - 2cl -	1,36
S 2 O 2 8 + 2 e - 2 SO 2- 4	2,07

En termes de l'??lectrolyse, ce tableau doit ??tre interpr??t??e comme suit

• esp??ces oxyd??es (souvent de cations) pr??s du haut de la table sont plus difficiles ?? r??duire que les esp??ces oxyd??es plus bas. Par exemple, il est plus difficile de r??duire l'ion de m??tal de sodium de sodium que de r??duire l'ion zinc en zinc m??tal.
• esp??ces r??duites (souvent un anion) ?? proximit?? du bas de la table est plus difficile ?? oxyder que les esp??ces r??duites plus haut. Par exemple, il est plus difficile ?? oxyder que anions sulfate, il est destin?? ?? oxyder les anions bromure.

En utilisant le L'??quation de Nernst potentiel d'??lectrode peut ??tre calcul??e pour une concentration donn??e d'ions, la temp??rature et le nombre d'??lectrons impliqu??s. Pour l'eau pure ( pH 7):

• le potentiel de l'??lectrode pour produire la r??duction de l'hydrog??ne est -0,41 V
• le potentiel de l'??lectrode d'oxydation de l'oxyg??ne de production est 0,82 V.

Chiffres comparables calcul??es de la m??me mani??re, pour 1M le bromure de zinc, ZnBr _2, sont -0,76 V pour la r??duction de Zn m??tallique et 1,10 V pour la production de brome de l'oxydation. La conclusion de ces chiffres est que l'hydrog??ne devrait ??tre produit ?? la cathode et de l'oxyg??ne ?? l'anode de l'??lectrolyse de l'eau qui est en contradiction avec l'observation exp??rimentale que le zinc m??tal est d??pos?? et le brome est produit. L'explication est que ces potentiels calcul??s indiquent seulement la r??action thermodynamiquement pr??f??r??. En pratique, de nombreux autres facteurs doivent ??tre pris en consid??ration, tels que la cin??tique de certaines des ??tapes de r??action impliqu??es. Ces facteurs signifient ensemble qu'un potentiel plus ??lev?? est n??cessaire pour la r??duction et l'oxydation de l'eau que pr??vu, et ceux-ci sont appel??s surtensions. Exp??rimentalement, on sait que surtensions d??pendent de la conception de la cellule et de la nature des ??lectrodes.

Pour l'??lectrolyse d'un neutre (pH 7) une solution de chlorure de sodium, la r??duction de l'ion sodium est thermodynamiquement tr??s difficile et de l'eau est r??duite ?? d??gagement d'hydrog??ne en laissant des ions hydroxyde en solution. A l'anode de l'oxydation est observ?? chlore plut??t que l'oxydation de l'eau depuis la surtension pour l'oxydation de chlorure de chlore est inf??rieure ?? la surtension pour l'oxydation de l'eau ?? l'oxyg??ne . Les ions hydroxyde et dissous le chlore gazeux r??agissent en outre ?? former l'acide hypochloreux. Les solutions aqueuses r??sultant de ce processus est appel?? ??lectrolyser l'eau et est utilis?? comme agent de nettoyage et d??sinfectant.

??lectrolyse de l'eau

Une utilisation importante de l'??lectrolyse de l'eau est de produire de l'hydrog??ne .

2 H ₂ O (l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g); E ₀ = -1,229 V

L'hydrog??ne peut ??tre utilis?? comme combustible pour alimenter moteurs ?? combustion interne par combustion ou des moteurs ??lectriques par l'interm??diaire de piles ?? combustible d'hydrog??ne (voir V??hicule ?? hydrog??ne). Ceci a ??t?? sugg??r?? comme une approche de passer les ??conomies du monde ?? partir de l'??tat actuel de d??pendance quasi-totale sur les hydrocarbures pour l'??nergie (Voir ??conomie de l'hydrog??ne).

Le l'efficacit?? ??nerg??tique de l'??lectrolyse de l'eau est tr??s variable. L'efficacit?? de l'??lectrolyseur est une mesure de l'enthalpie contenue dans l'hydrog??ne (sous combustion ?? feu avec de l'oxyg??ne, ou une autre r??action ult??rieure), par rapport ?? l'??nergie ??lectrique d'entr??e. Chaleur / valeurs d'enthalpie pour l'hydrog??ne sont bien publi??s en sciences et en g??nie textes, que 144 MJ / kg. Notez que les piles ?? combustible (et non les ??lectrolyseurs) ne peut pas utiliser ce montant total de la chaleur / enthalpie, qui a conduit ?? une certaine confusion lors du calcul des valeurs de rendement pour les deux types de technologie. Dans la r??action, de l'??nergie est perdue sous forme de chaleur, un sous-produit inutile. Certains rapports mentionnent l'efficacit?? entre 50% et 70% pour les ??lectrolyseurs alcalins; Cependant, l'efficacit?? pratique beaucoup plus ??lev??es sont disponibles ?? l'utilisation de la technologie PEM et catalytique, tel que 95% d'efficacit??. Aux ??tats-Unis il ya encore une tendance erron??e occasionnelle d'utiliser le ??pouvoir calorifique inf??rieur?? pour l'efficacit??. Cette valeur (obsolescence) ne repr??sente pas la quantit?? totale d'??nergie au sein de l'hydrog??ne, par cons??quent, l'efficacit?? semble plus faible que lorsqu'on utilise les valeurs d??finies plus pr??cis??ment. Le maximum th??orique estime la quantit?? totale d'??nergie n??cessaire ?? la formation de l'hydrog??ne et de l'oxyg??ne de l'eau. Notez que (dans des contextes plus larges de l'efficacit?? ??nerg??tique), ces valeurs se r??f??rent uniquement ?? l'efficacit?? de conversion de l'??nergie ??lectrique en ??nergie chimique de l'hydrog??ne; l'??nergie perdue pour g??n??rer de l'??lectricit?? ne est pas incluse.

NREL estime que 1 kg d'hydrog??ne (?? peu pr??s ??quivalente ?? 3 kg, ou 4 L, du p??trole en termes d'??nergie) pourraient ??tre produites par le vent aliment?? ??lectrolyse pour entre $ 5,55 ?? court terme et de 2,27 $ dans le long terme.

Environ 4% de gaz hydrog??ne produit dans le monde est cr???? par ??lectrolyse, et normalement utilis??e sur place. L'hydrog??ne est utilis?? pour la cr??ation de l'ammoniac pour engrais via le Proc??d?? Haber, et la conversion de sources p??troli??res lourdes en fractions plus l??g??res via hydrocraquage.

??lectrocristallisation

Une application sp??cialis??e de l'??lectrolyse implique la croissance de cristaux de conducteurs sur l'une des ??lectrodes ?? partir d'esp??ces oxyd??es ou r??duites qui sont g??n??r??s in situ. La technique a ??t?? utilis??e pour obtenir des monocristaux de conducteurs ??lectriques faibles dimensions, tels que sels de transfert de charge.

Exp??rimentateurs

Pionniers scientifiques de l'??lectrolyse comprennent:

Pionniers de batteries:

• Alessandro Volta
• Gaston Plant??

Plus r??cemment, l'??lectrolyse de eau lourde a ??t?? r??alis??e par Fleischmann et Pons en leur c??l??bre exp??rience, ce qui entra??ne la production de chaleur anormale et la demande discr??dit??e de la fusion froide.