Électrolyse de l'eau

[Arshi]

Bonjour à tous,

Dans le cadre de notre projet en troisième années de licence d’ingénierie physique, nous allons étudier le principe de l'électrolyse de l'eau et concevoir l'expérience et ainsi qu'elle soit réalisable par d'autres étudiant pendant leurs TP.
Je fais appel à vous car je me pose une question dont je peine à trouver la réponse...

Pour que l’électrolyse de l'eau soit possible, il faut rajouter un élément pour augmenter la conductance de la solution électrolyte. Nos candidats sont pour l'instant l'acide sulfurique, l’hydroxyde de sodium et l’hydroxyde de potassium.
La réaction redox est forcé, on va donc alimenter la cuve à électrolyse d'une tension de 1,23 V, correspondant à la différence de potentiel redox standard des couples O2/H20 (E=1.23 V) et H+/H2 (E=0 V).

Cependant, je n'arrive pas à comprendre que l'acide qu'on ajoute pour augmenter la conductance ne réagi pas dans la solution, à la fois dans son sens naturelle, et à la fois dans le sens forcé.

Par exemple, pour l'acide sulfurique, son potentiel redox standard est de 2.01 V. Je conçois qu'il ne réagis pas avec le couple H+/H2 car la tension utilisé n'atteindra pas les 2.01 V nécessaire à la réaction redox forcé. Mais il peut quand même réagir avec le couple 02/H20, car ici, il faudrait une tension de 0.74 V pour que la réaction forcé se fasse. De plus, pourquoi les réactions redox dans le sens naturelle ne s'effectuent pas dans la solution électrolyte ?

J'espère que j'ai réussi à vous faire comprendre ma problématique, de plus, si vous avez la réponse, une source citée ne serait pas de trop

Merci beaucoup !
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[jeanne08]

Plusieurs remarques :

- H2O, H+ et OH- sont des espèces acido-basiques différentes mais toujours de l'hydrogène au degré +1 et de l'oxygène au degré -2 ... bref du "kif kif" du point de vue redox. La valeur numérique du potentiel redox standard du couple H+/H2 n'est pas le même que celui du couple OH-/H2.
- les potentiels redox réels sont souvent très proches des potentiels redox standard ( donnés dans les tables). Une réaction redox que tu appelles très justement "naturelle" se fait dans le sens oxydant au potentiel le plus élevé oxyde le réducteur au potentiel plus bas. Mais cette réaction n'est pas toujours observée car parfois très lente. Par exemple le permanganate doit oxyder l'eau ... pourtant on prépare des solutions de permanganate
- l'électrolyse permet de réaliser une réaction redox naturellement impossible mais là encore il y a des problèmes de cinétique de réactions. certaines réactions prévisibles ( le réducteur SO4 2- est oxydé par O2 si on applique une ddp de (2,1 - 1,2) V est sans doute lente donc pas observée).
- les cinétiques des réactions électrochimiques sont assez compliquées... on fait intervenir la notion de surtension ( avez vous entendu parler de cela ?...). il est vraisemblable ( voir avec l'expérience) que pour l'électrolyse de l'eau il faudra sans doute une ddp de plus de 1,23 V pour que la réaction soit observée

[Arshi]

Tout d'abords merci pour votre réponse, ça nous aide beaucoup

Comme je l'ai dis, nous sommes étudiant en physique, bien que nous ayons quelques connaissances en chimie, cela remonte à loin.

Il faudra donc que l'on calcul les vitesses de réactions de chaque couple redox pour connaitre les réactions naturelles et forcées qui seront donc négligeable dans notre système.
De plus nous savons déjà que dans la réalité la tension utilisé est plus vers les 1,44 V que les 1,23 V théorique, dans nos recherches nous avons aperçu le principe de surtension, mais nous nous sommes pas encore penchés sur le sujet.

De plus si la réaction SO4 2 - avec O2 peut s'effectuer dans notre système mais qui est plutôt lente. Nous pourrions aussi plonger les électrodes en profondeur ? les gaz formés (O2, H2) remontent à la surface et ainsi le dioxygène est séparé de l'acide sulfurique. Cela devrait diminuer encore plus le risque de réaction ?

[jeanne08]

Il me parait difficile de calculer les vitesses des réactions redox qu'elles soient chimiques ou électrochimiques. Ces données seront plutôt expérimentales. Vous pouvez vous intéresser à la notion de surtension et vous verrez que la vitesse d'une réaction électrochimique (au niveau d'une électrode donc ) dépend, pour un couple redox donné, de la nature des électrodes , de la surface ...et aussi de la diffusion des espèces vers les électrodes.
Je pense que vous pouvez considérer que les ions sulfates sont inertes lors de l'électrolyse de l'eau.
Par contre, il est difficile de prévoir la vitesse d'une réaction redox au niveau d'une électrode mais elle est facile à mesurer car lorsqu'on fait une réaction Oxydant + ne- = Réducteur , dans un sens ou dans l'autre, l'intensité du courant qui traverse l'électrode mesure la vitesse de la réaction.

[A voir en vidéo sur Futura]