Définition de l’électrolyse: séparation d’atomes grâce à de l’électricité circulant dans un électrolyte entre deux électrodes. Elle est utilisée pour produire de l’hydrogène, plaquer du métal, produire du chlore ou encore de l’aluminium.
On connait surtout l’électrolyse par son rôle dans la production d’hydrogène: on peut produire ce gaz fantastique, que certains imaginent pouvoir remplacer le pétrole (et qui, il faut l’avouer, a réellement des applications extrêmement intéressantes), à partir d’eau et d’électricité. Merveilleux non ? Néanmoins, l’électrolyse est en fait un sujet beaucoup plus vaste et a de nombreuses applications actuelles dans l’industrie.
L’électrolyse en général
L’électrolyse se définit comme la séparation d’atomes grâce à de l’électricité circulant dans un électrolyte entre deux électrodes.
La découverte de l’électrolyse de l’eau
La découverte de l’électrolyse résulte d’une leçon de vie enrichissante. Le 20 mars 1800, Alexandro Volta faisait part de sa découverte de la première pile électrique dans une lettre au président de la Royal Society. Comme cette missive s’attachait à réfuter un travail de William Nicholson, elle lui fut transmise.
Ce dernier, avec l’un de ses amis, Sir Anthony Carlisle, reproduisit une pile argent-zinc, en suivant les indications de Volta. Puis, les scientifiques tentèrent plusieurs expériences, dont, le 2 mai 1800, le fait de plonger des fils de cuivre reliés à la pile dans l’eau. Il observa alors « un petit courant de bulles très files partant de la pointe du fil de cuivre communiquant avec l’extrémité argent de la pile ». C’était la première électrolyse (alcaline).
Ainsi, au lieu de lutter contre la critique, Nicholson l’a embrassée et a immédiatement fait une découverte majeure. Comparé à aujourd’hui, où toute critique semble devoir être vécue comme un camouflet, je trouve cela inspirant.
Le principe de l’électrolyse
Le principe de l’électrolyse est toujours le même: vous avez deux électrodes (une anode et une cathode) et un électrolyte qui va être exposé à une différence de potentiel électrique (= un courant électrique). A l’anode se produit une oxydation (on obtient des molécules plus riches en oxygène) et à la cathode une réduction (on retire l’oxygène). Pour l’eau, les réactions sont respectivement « 2H2O+4e– => H2 + OH–« et « 2H2O => O2 + 4H+ +4e–« .
Attention toutefois: au delà d’une apparente simplicité, il y a une infinité de variation pour chaque réaction: on peut changer l’électrolyte, la composition des électrodes, etc.
En outre, il y a plusieurs types d’électrolyses.
Les différents types d’électrolyse
Parmi les électrolyses les plus importantes on trouve:
- L’électrolyse de l’eau, une des principales pistes pour produire de l’H2 bas carbone
- L’électrolyse chlore-soude ou chlore-alcali, utilisée pour produire du chlore et qui coproduit de l’H2
- Le placage par électrolyse ou galvanoplastie
- Réduction électrolytique de l’aluminium
- La réduction du minerai de fer par électrolyse, une piste pour décarboner la production d’acier
L’électrolyse de l’eau
L’électrolyse permet de transformer de l’eau en dihydrogène (et en oxygène) grâce à un courant électrique. Le principe est assez simple: vous plongez deux électrodes produisant un courant électrique dans l’eau, du dihydrogène va se former autour d’une électrode et du dioxygène autour de l’autre. Voici la réaction plus dans le détail :
Le courant électrique dissocie la molécule d’eau (H2O) en ions hydroxyde (HO–) et hydrogène H+ : dans la cellule électrolytique, les ions hydrogène acceptent des électrons à la cathode dans une réaction d’oxydoréduction en formant du dihydrogène gazeux (H2), selon la réaction de réduction
alors qu’une oxydation des ions hydroxyde — qui perdent donc des électrons — se produit à l’anode afin de « fermer » le circuit électrique (équilibre de la réaction chimique en charges) :
ce qui donne l’équation de décomposition par électrolyse suivante :
Wikipedia
L’électrolyse de l’eau porte un espoir fantastique à travers sa capacité à produire de l’hydrogène, un vecteur énergétique qui peut servir de carburant. On pourrait, ainsi, voir se développer une mobilité hydrogène remplaçant le pétrole. Pour plus de détails sur l’électrolyse de l’eau, vous pouvez consulter mon article dédié :
L’électrolyse chlore-alcali / chlore-soude.
Un lieu commun bien connu quand on s’intéresse à la production d’hydrogène est que l’électrolyse est à l’origine de 4% de l’hydrogène français. On pense instinctivement qu’il s’agit d’électrolyse de l’eau, mais, en réalité, il s’agit de l’électrolyse chlore-alcali, utilisée pour produire du chlore. La principale est l’électrolyse chlore-soude, qui, partant d’eau salée (saumure) produit ces réactions:
- Au niveau de l’anode : 2Cl– → Cl2+ 2e–
- Au niveau de la cathode : Na+ + H2O + e– → NaOH + ½ H2
On peut également utiliser du chlorure de calcium ou du chlorure de potassium.
La placage par électrolyse ou galvanoplastie
La galvanoplastie est un procédé consistant à plaquer sur l’une des électrodes des ions métalliques provenant de l’autre électrode (et de l’électrolyte ?). Il est évidemment utilisé en orfèvrerie, mais aussi en aéronotique ou dans l’automobile (ex: chromage des pièces d’acier).
Réduction électrolytique du fer (hématite) et de l’aluminium (alumine)
Les métaux sont souvent oxydés à l’état naturel. C’est le cas du minerai de fer, présent sous forme d’hématite (Fe2O3) et de l’aluminium, présent dans l’alumine (Al2O3) extraire de la bauxite. Pour les transformer en métaux, il faut retirer cet oxygène (= réduction).
S’agissant de l’alumine, le métal est dissous (Al203 => 2Al3+ +3O2-), puis, sous l’effet de l’électrolyse, du métal va se former au niveau de la cathode (Al3+ +3e- => Al (s) ) et l’oxygène va s’échapper (en pratique sous forme de CO2 …). C’est le « procédé Hall-Héroult« .
La réduction du fer, pour sa part, se fait actuellement par des procédés très polluants, dans des hauts fourneaux. C’est une des principales raisons du bilan carbone désastreux de la production d’acier. Une des pistes pour la décarboner est d’utiliser un bain d’électrolyse pour réduire et liquéfier le fer : Fe2O3 +e- => Fe + O2. C’est la solution d’électrolyse à oxydes fondus (Molten Oxyde Electrolysis, MOE) de Boston Metal. Pour aller plus loin sur ce sujet, vous pouvez consulter notre article sur la décarbonation de la production d’acier.