Calculateur d'Électrolyse - Dépôt de Masse (Loi de Faraday)

Qu’est-ce qu’un calculateur d’électrolyse ?

Un calculateur d’électrolyse détermine la masse de métal déposée sur une électrode ou dissoute à celle-ci pendant une électrolyse. L’électrolyse est un procédé qui utilise un courant électrique pour provoquer une réaction chimique qui ne se produirait pas spontanément. Le calculateur applique la loi de Faraday sur l’électrolyse en utilisant l’intensité du courant, la durée et les propriétés du métal choisi.

Comment calculer la masse en électrolyse : formule de la loi de Faraday

La loi de Faraday énonce que la masse d’une substance produite à une électrode est proportionnelle à la quantité de charge électrique qui la traverse. La charge est égale à l’intensité du courant multipliée par la durée ; la formule s’écrit donc généralement ainsi :

$m = \frac{I \times t \times M}{z \times F}$

• m — masse de la substance produite ou dissoute, en grammes
• I — intensité du courant, en ampères (A)
• t — durée, en secondes (s)
• M — masse molaire de la substance, en grammes par mole (g/mol)
• z — valence, nombre d’électrons transférés par ion
• F — constante de Faraday, 96 485 coulombs par mole (C/mol)

La constante de Faraday porte le nom du scientifique anglais Michael Faraday. C’est la charge électrique portée par une mole d’électrons. Sa valeur mesurée est de 96 485,33212 C/mol ; le calculateur l’arrondit à 96 485.

Pourquoi la valence est importante

La valence dépend de la charge de l’ion. Un ion cuivre, Cu²⁺, a besoin de deux électrons pour devenir un atome de cuivre ; sa valence est donc 2. Un ion argent, Ag⁺, n’a besoin que d’un électron ; sa valence est 1. Un ion or, Au³⁺, a besoin de trois électrons ; sa valence est 3. Une valence plus élevée signifie que davantage d’électrons sont nécessaires par atome ; une masse plus faible est donc déposée pour une même quantité de charge.

Masse molaire et valence des métaux courants

Les masses molaires ci-dessous sont les poids atomiques standard publiés par la Commission de l’IUPAC sur les abondances isotopiques et les poids atomiques, arrondis à deux décimales. Par exemple, le cuivre est à 63,546 et l’argent à 107,8682.

Exemple de calcul

Un courant de 1 ampère traverse une solution de sulfate de cuivre pendant 1 heure (3 600 secondes). Quelle quantité de cuivre est déposée à la cathode, l’électrode où se produit la réduction ?

• I = 1 A
• t = 3 600 s
• M = 63,55 g/mol (cuivre)
• z = 2 (Cu²⁺)
• F = 96 485 C/mol

$m = \frac{1 \times 3600 \times 63.55}{2 \times 96485} = \frac{228780}{192970} \approx 1.18557 \text{ g}$

Environ 1,19 gramme de cuivre est déposé.

Deuxième exemple : un courant de 2 ampères traverse une solution de nitrate d’argent pendant 10 minutes (600 secondes). L’argent a une masse molaire de 107,87 g/mol et une valence de 1.

$m = \frac{2 \times 600 \times 107.87}{1 \times 96485} \approx 1.34160 \text{ g}$

Environ 1,34 gramme d’argent est déposé, soit davantage que dans l’exemple du cuivre, principalement parce que la valence de l’argent est plus faible.

Comment utiliser le calculateur

Saisissez l’intensité du courant en ampères et la durée en secondes, puis choisissez un métal dans la liste. Le résultat se met à jour automatiquement. Conversions courantes de durée : 1 minute = 60 secondes, 1 heure = 3 600 secondes, 1 jour = 86 400 secondes.

Applications de l’électrolyse

L’électrodéposition recouvre un métal d’une fine couche d’un autre, par exemple pour plaquer des bijoux avec de l’or ou des pièces d’acier avec du nickel afin de résister à la corrosion. L’affinage des métaux utilise l’électrolyse pour purifier des métaux comme le cuivre. L’électroextraction extrait des métaux comme le zinc et l’aluminium de minerais dissous. L’électrolyse de l’eau sépare l’eau en hydrogène et en oxygène gazeux, une méthode utilisée pour produire du carburant à base d’hydrogène.

La loi de Faraday donne la masse maximale théorique. Les procédés réels déposent généralement un peu moins, car une partie du courant alimente des réactions secondaires au lieu de la réaction principale. Le rapport entre la masse réelle et la masse théorique s’appelle le rendement en courant.

Histoire de la loi de Faraday

L’électrolyse est devenue possible lorsque la pile a fourni aux scientifiques un courant électrique stable. Les premiers expérimentateurs l’ont utilisée pour décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène. Humphry Davy s’en est servi pour isoler de nouveaux éléments, dont le potassium et le sodium.

Michael Faraday, qui avait été l’assistant de Davy, a mené des expériences minutieuses sur l’électrolyse au début des années 1830. Il a publié deux lois décrivant la relation exacte entre la charge électrique et la masse de substance produite. En 1834, il a adopté les mots anode, cathode et ion, suggérés par l’érudit William Whewell. Ces mots sont encore employés en chimie aujourd’hui.

Foire aux questions

Comment calcule-t-on la masse déposée pendant une électrolyse ? Multipliez l’intensité du courant par la durée pour obtenir la charge totale, puis multipliez cette charge par la masse molaire de la substance et divisez le résultat par la valence multipliée par la constante de Faraday : m = (I × t × M) / (z × F).

Qu’est-ce que la constante de Faraday ? Il s’agit de la charge électrique portée par une mole d’électrons, soit environ 96 485 coulombs par mole.

Quelle est la différence entre l’anode et la cathode ? L’anode est l’électrode où se produit l’oxydation et où les électrons sont perdus. La cathode est l’électrode où se produit la réduction et où les électrons sont gagnés. Lorsqu’un métal est déposé à partir d’une solution, il se forme à la cathode.

La température influe-t-elle sur le résultat du calcul ? La température n’apparaît pas dans la loi de Faraday ; elle ne modifie donc pas la masse calculée. Elle peut influer sur le rendement réel du procédé, car des températures plus élevées accélèrent souvent les réactions secondaires.

Quels métaux ce calculateur prend-il en charge ? Le cuivre, l’argent, l’or, le zinc, le nickel, le fer et l’aluminium, chacun avec sa masse molaire et sa valence standard intégrées. Pour tout autre métal, la même formule s’applique si sa masse molaire et sa valence sont connues.

Pourquoi la masse effectivement déposée peut-elle différer de la valeur calculée ? La loi de Faraday suppose que tout le courant participe à la réaction principale. En pratique, une partie du courant est consommée par des réactions secondaires ou par la résistance ; les dépôts réels sont donc généralement un peu moins lourds que la valeur calculée. Le rapport entre la masse réelle et la masse théorique est appelé rendement faradique.

Références

1. National Institute of Standards and Technology. CODATA Value: Faraday constant. NIST Faraday constant — F = 96 485,332 12 C/mol.
2. IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights. Standard Atomic Weights. CIAAW atomic weights — poids atomiques standard de Cu, Ag, Au, Zn, Ni, Fe et Al.
3. Cambridge University Library, Epsilon. Faraday to William Whewell, 15 May 1834. Faraday letter 720 — Faraday a adopté les noms d’anode, de cathode et d’ion sur le conseil de Whewell.