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Physique-Chimie · 2ème Année Bac — Sciences Mathématiques B

التحولات القسرية (التحليل الكهربائي)

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Contrairement à une pile (transformation spontanée), l'électrolyse est une transformation forcée qui nécessite un apport d'énergie électrique.

  • Définition : C'est une transformation chimique provoquée par le passage d'un courant électrique imposé par un générateur.
  • Polarité :
    • La cathode est reliée au pôle négatif du générateur : il s'y produit une réduction.
    • L'anode est reliée au pôle positif du générateur : il s'y produit une oxydation.
  • Loi de Faraday : La quantité d'électricité $Q$ traversant le circuit est liée à la quantité de matière d'électrons échangés $n(e^-)$ par : $$Q = I \cdot \Delta t = n(e^-) \cdot F$$ où $F \approx 96500 , C \cdot mol^{-1}$ (constante de Faraday).

Méthodes à maîtriser

  1. Écrire les demi-équations : Identifier le couple oxydant/réducteur et équilibrer les électrons.
  2. Établir le bilan : Additionner les demi-équations en multipliant pour que le nombre d'électrons soit identique.
  3. Tableau d'avancement : Utiliser l'avancement $x$ pour relier la quantité de matière d'un produit à $n(e^-)$.
  4. Calculer la durée : Utiliser $I \cdot \Delta t = n(e^-) \cdot F$ en isolant $\Delta t = \frac{n(e^-) \cdot F}{I}$.

Exemples corrigés

Électrolyse d'une solution de chlorure de cuivre (II) ($Cu^{2+} + 2Cl^-$) :

  • Cathode : $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu(s)$
  • Anode : $2Cl^- \rightarrow Cl_2(g) + 2e^-$
  • Bilan : $Cu^{2+} + 2Cl^- \rightarrow Cu(s) + Cl_2(g)$ Si $I = 0,5 A$ pendant 10 min ($600 s$) : $n(e^-) = \frac{0,5 \times 600}{96500} \approx 3,1 \cdot 10^{-3} mol$. D'après l'équation, $n(Cu) = \frac{n(e^-)}{2} \approx 1,55 \cdot 10^{-3} mol$.

Erreurs fréquentes

  • Confondre anode et cathode : Rappelez-vous "Anode = Oxydation" (les deux commencent par une voyelle).
  • Oublier de convertir le temps en secondes dans la formule $Q = I \cdot \Delta t$.
  • Ne pas vérifier le nombre d'électrons lors de la sommation des demi-équations.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 التحولات القسرية (التحليل الكهربائي)

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Lors d'une électrolyse, l'oxydation se produit à :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que l'électrolyse est toujours spontanée ?

Non, c'est l'inverse. Une réaction spontanée se produit sans intervention extérieure (comme dans une pile). L'électrolyse est une transformation forcée : elle ne se produit que parce qu'un générateur impose un courant électrique pour forcer la réaction à aller dans le sens inverse de son évolution spontanée.

💡 À retenir : Sans générateur, l'électrolyse s'arrête immédiatement.

Kifach n7seb l'avancement x ila 3tani l'intensite I o l'modda delta t ?
  1. Calcule la quantité d'électricité : $Q = I \cdot \Delta t$.
  2. Calcule la quantité de matière d'électrons : $n(e^-) = \frac{Q}{F}$.
  3. Utilise le tableau d'avancement : le nombre d'électrons est souvent égal à $n \cdot x$ (où $n$ est le coefficient stoechiométrique des électrons dans la demi-équation). Donc $x = \frac{n(e^-)}{n}$.

💡 À retenir : $x = \frac{I \cdot \Delta t}{n \cdot F}$.

Pourquoi le courant sort par l'anode ?

Le courant électrique sort par la borne positive du générateur. Comme l'anode est reliée à cette borne positive, le courant entre dans l'électrolyseur par l'anode. C'est le lieu où les électrons sont "arrachés" aux espèces chimiques (oxydation).

💡 À retenir : Le courant circule de l'anode vers la cathode à l'extérieur du générateur.

Chno hiya l'far9 bin l'pile o l'tahlil l'kahraba2i ?
  1. Pile : Transformation chimique spontanée qui produit de l'énergie électrique.
  2. Électrolyse : Transformation chimique forcée qui consomme de l'énergie électrique.

💡 À retenir : La pile est un générateur, l'électrolyseur est un récepteur.

Est-ce que la constante d'équilibre K change pendant l'électrolyse ?

Non, la constante d'équilibre $K$ est une caractéristique thermodynamique qui ne dépend que de la température. Elle ne change pas, que la réaction soit spontanée ou forcée. L'électrolyse permet simplement de forcer le quotient de réaction $Q_r$ à évoluer vers une valeur différente de celle de l'équilibre.

💡 À retenir : $K$ est fixe, c'est l'état du système qui est modifié.

Wach l'anode f l'tahlil l'kahraba2i dima hiya l'borne positive ?

Oui, par définition, dans un électrolyseur, l'anode est l'électrode reliée à la borne positive du générateur. C'est là que se produit l'oxydation.

💡 À retenir : Anode = borne positive = oxydation.

Comment savoir quel couple réagit en premier à l'électrode ?

S'il y a plusieurs couples possibles, c'est celui qui demande le moins d'énergie (potentiel le plus favorable) qui réagit en priorité. En terminale, on vous donne généralement les couples qui réagissent.

💡 À retenir : Suivez toujours les indications de l'énoncé.

Est-ce que la masse des électrodes change toujours ?

Pas forcément. Si l'électrode est inerte (comme le graphite ou le platine), elle ne participe pas à la réaction. Si l'électrode est active (comme le cuivre), elle peut être consommée (oxydation) ou recevoir un dépôt métallique (réduction).

💡 À retenir : Regardez si le métal de l'électrode apparaît dans les demi-équations.

Pourquoi on utilise une solution aqueuse ?

L'eau sert de solvant pour permettre la mobilité des ions, ce qui assure le passage du courant électrique dans la solution. Attention, l'eau elle-même peut parfois subir une électrolyse si le potentiel imposé est suffisant.

💡 À retenir : La solution doit être conductrice.

Est-ce que la quantité d'électricité dépend du volume de la solution ?

Non, la quantité d'électricité $Q$ dépend uniquement de l'intensité du courant $I$ et de la durée $\Delta t$. Le volume influence la concentration des espèces, mais pas la charge totale transférée par le générateur.

💡 À retenir : $Q = I \cdot \Delta t$ est indépendant du volume.

Comment calculer la masse de métal déposée ?
  1. Calcule $n(e^-) = \frac{I \cdot \Delta t}{F}$.
  2. Détermine $n(M)$ à partir de l'équation de réduction : $M^{n+} + n \cdot e^- \rightarrow M$.
  3. Utilise $m = n(M) \cdot M_{molaire}$.

💡 À retenir : $m = \frac{I \cdot \Delta t \cdot M_{molaire}}{n \cdot F}$.

Est-ce que le générateur s'use pendant l'électrolyse ?

Le générateur fournit de l'énergie électrique, il ne subit pas de transformation chimique interne (contrairement à une pile). Il "s'use" seulement par sa consommation d'énergie externe.

💡 À retenir : Le générateur est une source d'énergie, pas un réactif.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On réalise l'électrolyse d'une solution de sulfate de cuivre II ($Cu^{2+} + SO_4^{2-}$) avec des électrodes en graphite. On fait passer un courant d'intensité $I = 0,2 A$ pendant 30 minutes.

  1. Écrire les demi-équations aux électrodes.
  2. Calculer la quantité d'électricité $Q$ échangée.
  3. Calculer la masse de cuivre déposée. (Données : $M(Cu) = 63,5 g/mol$, $F = 96500 C/mol$).
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Exercice 2

On veut recouvrir une pièce métallique d'une couche d'argent par électrolyse d'une solution de nitrate d'argent ($Ag^+ + NO_3^-$). La surface de la pièce est $S = 20 cm^2$. On veut une épaisseur $e = 10 \mu m$. La masse volumique de l'argent est $\rho = 10,5 g/cm^3$.

  1. Calculer la masse d'argent nécessaire.
  2. Quelle durée $\Delta t$ faut-il pour un courant $I = 0,5 A$ ?
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Exercice 3

Un électrolyseur contient une solution de chlorure de zinc ($Zn^{2+} + 2Cl^-$). On observe un dépôt de zinc et un dégagement de dichlore.

  1. Établir l'équation bilan.
  2. Si le volume de dichlore dégagé est $V(Cl_2) = 100 mL$ dans des conditions où le volume molaire est $V_m = 24 L/mol$, calculer l'intensité $I$ nécessaire pour une durée de 15 minutes.
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