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Physique · Prépa concours post-bac — ISPITS (paramédical)

Transformations forcées (Électrolyse)

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

L'électrolyse est une transformation forcée qui utilise l'énergie électrique pour inverser le sens d'évolution spontanée d'un système chimique.

  • Anode : Lieu de l'oxydation (perte d'électrons).
  • Cathode : Lieu de la réduction (gain d'électrons).
  • Relation fondamentale : La quantité d'électricité $Q$ traversant le circuit est liée à la quantité de matière d'électrons échangés $n(e^-)$ par : $Q = I \cdot \Delta t = n(e^-) \cdot F$, avec $F \approx 96500 , \text{C.mol}^{-1}$.

Méthodes à maîtriser

  1. Établir les demi-équations : Identifier le couple oxydant/réducteur et équilibrer les électrons.
  2. Tableau d'avancement : Utiliser l'avancement $x$ pour relier la quantité de matière des espèces formées/disparues à $n(e^-)$.
  3. Calcul de $Q$ : Toujours convertir le temps $\Delta t$ en secondes (s) et l'intensité $I$ en Ampères (A).

Exemples corrigés

Exemple : 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 : $Cu^{2+} + 2Cl^- \rightarrow Cu(s) + Cl_2(g)$

Erreurs fréquentes

  • Confondre l'anode et la cathode (Anode = Oxydation, Cathode = Réduction).
  • Oublier de convertir le temps en secondes.
  • Ne pas équilibrer correctement les électrons dans les demi-équations.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Transformations forcées (Électrolyse)

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

❓ Questions fréquentes

Chno hiya l'far9 bin l'pile o l'electrolyse ?
  1. La pile est une transformation spontanée qui produit de l'énergie électrique.
  2. L'électrolyse est une transformation forcée qui consomme de l'énergie électrique pour créer une réaction chimique.

💡 À retenir : Pile = générateur ; Électrolyse = récepteur.

Kifach n'3ref chkoun li kaye't'ra lih l'oxydation f'l'electrolyse ?
  1. L'oxydation se produit toujours à l'anode.
  2. L'anode est l'électrode reliée à la borne positive (+) du générateur.
  3. C'est là que les électrons sont libérés par l'espèce chimique.

💡 À retenir : Anode = Oxydation (A.O).

Wash F (constante de Faraday) kat-b'del ?

Non, la constante de Faraday $F$ est une valeur fixe, environ $96500 , \text{C.mol}^{-1}$. Elle représente la charge d'une mole d'électrons.

💡 À retenir : $F = N_A \cdot e$.

Comment déterminer la masse de métal déposé à la cathode ?
  1. Écrire la demi-équation de réduction : $M^{n+} + ne^- \rightarrow M(s)$.
  2. Calculer $n(e^-) = \frac{I \cdot \Delta t}{F}$.
  3. Utiliser le tableau d'avancement : $n(M) = \frac{n(e^-)}{n}$.
  4. Calculer la masse : $m = n(M) \cdot M_{molaire}$.

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

Est-ce que le sens du courant influence l'électrolyse ?

Oui, le sens du courant impose le sens de circulation des électrons, ce qui détermine quelle électrode sera l'anode et laquelle sera la cathode.

💡 À retenir : Inverser le courant inverse les réactions aux électrodes.

Comment calculer le volume de gaz dégagé ?
  1. Déterminer $n(e^-)$ à partir de $I$ et $\Delta t$.
  2. Trouver $n(gaz)$ via l'équation bilan.
  3. Utiliser $V = n(gaz) \cdot V_m$ (si gaz parfait, $V = n \cdot \frac{RT}{P}$).

💡 À retenir : Utiliser les conditions normales ou les données de l'énoncé.

Pourquoi on utilise un électrolyte ?

L'électrolyte permet le passage du courant électrique dans la solution grâce à la mobilité des ions. Sans ions, le circuit est ouvert.

💡 À retenir : L'électrolyte assure la conduction ionique.

Kifach n'hseb l'avancement x f'l'electrolyse ?
  1. $n(e^-) = n_{e^- \text{ échangés}} \cdot x$.
  2. Donc $x = \frac{I \cdot \Delta t}{n_{e^-} \cdot F}$.

💡 À retenir : $x$ est directement proportionnel à la charge électrique.

Est-ce qu'on peut faire une électrolyse avec n'importe quel métal ?

Oui, théoriquement, mais il faut choisir une tension aux bornes du générateur suffisante pour vaincre la force contre-électromotrice.

💡 À retenir : La tension doit être supérieure à la tension minimale de réaction.

Qu'est-ce qu'une transformation forcée ?

C'est une transformation qui ne se produit pas spontanément dans le sens considéré. Elle nécessite un apport d'énergie extérieure.

💡 À retenir : $\Delta_r G > 0$ pour une transformation forcée.

Pourquoi l'anode se fait attaquer dans certains cas ?

Si l'anode est constituée d'un métal réactif, elle peut s'oxyder elle-même au lieu de l'anion de la solution.

💡 À retenir : L'anode peut être consommée (électrolyse à anode soluble).

Quelle est l'unité de la constante de Faraday ?

L'unité est le Coulomb par mole ($C.mol^{-1}$).

💡 À retenir : $1 F \approx 96500 , C.mol^{-1}$.

✍️ 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 $I = 0,5 , A$ pendant $\Delta t = 20 , min$.

  1. Écrire les demi-équations aux électrodes.
  2. Calculer la masse de cuivre déposée à la cathode. (Données : $M(Cu) = 63,5 , g.mol^{-1}$, $F = 96500 , C.mol^{-1}$).
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Exercice 2

Une cellule d'électrolyse contient une solution d'acide chlorhydrique. On observe un dégagement de dihydrogène à la cathode et de dichlore à l'anode.

  1. Écrire l'équation bilan.
  2. Si le volume de dichlore recueilli est $V = 100 , mL$, calculer la durée de l'électrolyse pour $I = 1 , A$. ($V_m = 24 , L.mol^{-1}$).
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Exercice 3

Électrolyse d'une solution de nitrate d'argent ($Ag^+ + NO_3^-$).

  1. Déterminer la masse d'argent déposée si on fait passer $0,05 , F$ d'électricité.
  2. Si l'on veut déposer $5 , g$ d'argent en $10 , min$, quelle doit être l'intensité du courant ? ($M(Ag) = 108 , g.mol^{-1}$).
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