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. Elle correspond à la charge électrique portée par une mole d’électrons.

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

Exemple détaillé

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

La galvanoplastie recouvre un métal d’une fine couche d’un autre métal, par exemple en plaquant des bijoux avec de l’or ou des pièces en acier avec du nickel pour les protéger contre la corrosion. L’affinage des métaux utilise l’électrolyse pour les purifier ; le cuivre affiné de cette manière peut atteindre une pureté supérieure à 99,9 %. L’électro-extraction permet d’extraire des métaux tels que le zinc d’une solution obtenue à partir de minerai broyé. L’aluminium est produit de la même manière, mais à partir d’alumine dissoute dans un bain de sels fondus plutôt que dans l’eau. L’électrolyse de l’eau la décompose en hydrogène et en oxygène gazeux ; cette méthode sert à produire de l’hydrogène comme combustible.

La loi de Faraday donne la masse théorique maximale. En pratique, les procédés déposent généralement une masse légèrement inférieure, car une partie du courant provoque des réactions secondaires au lieu de participer à la réaction principale. Ce rapport est appelé rendement faradique et il est généralement de 90–98% dans la galvanoplastie industrielle.

Histoire de la loi de Faraday

En 1800, Alessandro Volta construisit la première pile, fournissant pour la première fois aux scientifiques une source stable de courant électrique. La même année, William Nicholson et Anthony Carlisle l’utilisèrent pour décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène, réalisant ainsi l’une des premières démonstrations de l’électrolyse. Entre 1807 et 1808, Humphry Davy utilisa l’électrolyse pour isoler plusieurs éléments, notamment le potassium et le sodium.

Michael Faraday, qui avait travaillé comme assistant de Davy, mena des expériences approfondies sur l’électrolyse au début des années 1830. En 1832 et 1834, il publia deux lois décrivant la relation exacte entre la charge électrique et la masse de substance produite. Il introduisit également les termes électrode, anode, cathode et ion, qui sont encore utilisés aujourd’hui en chimie.

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. Faraday, M. (1834). « Experimental Researches in Electricity. Seventh Series. » Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 124, 77–122.
2. Bard, A. J., & Faulkner, L. R. (2000). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications (2e éd.). John Wiley & Sons.
3. Atkins, P., et de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10e éd.). Oxford University Press.