Electrolyse (de l'eau) : explications à l'échelle atomique

[inviteb2eab943]

Bonjour à tous

Je cherche actuellement à comprendre comment fonctionne l'électrolyse de l'eau au niveau atomique.
J'ai bien compris le principe de base : on fait circuler un courant continu dans de l'eau, les électrons de la cathode viennent ioniser la molécule d'eau H2O pour la séparer en H+ et OH-.

Mais j'aimerais comprendre plus exactement comment cela fonctionne.

Dans un premier temps, je ne comprends pas comment agissent les électrons du courant. Si j'ai bien compris, les électrons de la cathode sont attirés vers l'anode et en se déplaçant ainsi, ils "arrachent" sur leur passage les électrons qui forment les liaisons covalentes, ce qui rompt la liaison covalente et permet alors de séparer les atomes d'oxygène et d'hydrogène. Mais est-ce qu'on obtient à ce moment-là des H+ et des OH- qui vont se recombiner avec d'autres atomes similaires en H2 et H2O2, ou est-ce qu'on obtient des 2H+ et O- qui vont se recombiner en H2 et O2, etc. ? Comment savoir ce qu'on obtient réellement ? Je suppose que tout est une question de forces qui diffèrent selon chaque atome non ?

Dans un second temps, je ne comprends pas le rôle de la tension par rapport au courant. J'ai cru comprendre qu'appliquer une tension d'1,5 volt suffisait pour faire l'électrolyse de l'eau. Est-ce que cela signifie que toute tension supplémentaire est inutile ? Comment la tension agit-elle sur les électrons ?

Dernière question : lorsque des électrons sont mis en commun entre 2 atomes pour créer une liaison covalente, est-ce que cela veut dire qu'il deviennent immobiles ? En effet, s'ils continuent à se déplacer, la liaison n'est alors pas stable, n'est-ce pas ?

Je vous remercie d'avance

tntprog
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[inviteb2eab943]

Vraiment personne pour m'aider..?

[invite424fcbe6]

L'eau est le siege permanent d'une autoprotolyse ou il se forme des H+
et des HO-
2 H2O = H3O+ + HO-
Seul les ions prticipe a l'electrolyse donc H+ est reduit a la cathode et HO- est oxyder a l'anode!
La tension est la tension minimum de la barriere cinetique qu'il faut pour que la reaction se fasse a vitesse non nul!
Et quid des electrons convalents , les electrons obeissent a la mecanique quantique tout comme les molecules!
On va dire que les atomes arranges leurs orbitales atomiques pour avoir un minima d'energie
Fraoli

[marsan09]

bonjour, je viens d'envoyer une explication qui s'est perdue, je recommence.

Les cuves à électrolyse, les piles ... sont des éléments dissymétriques, par exemple ici, on a des ions H+ d'un côté et des ions O2- de l'autre côté.
Il faut donc une tension minimale pour faire passer un courant.

On peut appliquer une tension de plus en plus grande et mesurer le courant qui traverse la cuve.

On peut aussi consulter une table de potentiel rédox
http://fr.wikipedia.org/wiki/Potentiel_r%C3%A9dox

Il faut savoir que les èspèces chimiques qui interviennent ici existent sous forme oxydée et sous forme réduite.
On trouve pour le couple H+/H2 : 0V (par convention)
O2/H2O : +1,23V

La différence donne la tension minimale à utiliser soit 1,23V
Dans la pratique, à cause des résistances R, il faudra rajouter une tension R*i

Voilà un début d'explication.

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteb2eab943]

Tout d'abord merci de vos réponses !

L'eau est le siege permanent d'une autoprotolyse ou il se forme des H+
et des HO-
2 H2O = H3O+ + HO-
Seul les ions prticipe a l'electrolyse donc H+ est reduit a la cathode et HO- est oxyder a l'anode!

Donc si je comprends bien, quand on a de l'eau pure dans un récipient, 2 molécules d'eau vont "automatiquement" se transformer en ions H₃O⁺ + HO^-, puis "automatiquement" se retransformer en 2H₂O, et ce constamment, sans intervention d'un courant ou d'une tension extérieure, c'est bien ça ?
Dans ce cas, est-il possible de déterminer la fréquence à laquelle se produit cette réaction ? (si oui, comment ?)

On peut appliquer une tension de plus en plus grande et mesurer le courant qui traverse la cuve.

Justement, qu'obtient-on si on fait cela ?? Est-ce que le courant va croître proportionnellement ?

[invite1acecc80]

Hello tntprog,

Tes questions sont très délicates car elles font appel à des propriétés telles que la cinétique chimique à la surface d'une électrode.

Primo (je pars de zero): la molécule de l'eau: comporte 1 atome d'oxygène et 2 atomes d'hydrogène. Les 2 hydrogènes sont liés à l'oxygène par 2 liaisons covalentes simples ; c'est à dire que les deux électrons fournis par les deux hydrogènes et 2 électrons fournis par l'atome oxygène sont mis en partage pour former les 2 liaisons.
Cependant les 2 électrons mis en partage restent la plupart du temps près de l'atome d'oxygène. Pourquoi? Parce que chaque élément chimique de la classification périodique des éléments ont une propriété chimique que l'on nomme "électronégativité". (tu peux la trouver sur toute bonne classification périodique des éléments).
Cette électronégativité renseigne les chimistes sur la faculté des éléments à attirer à eux les électrons.
Il faut savoir que l'oxygène est plus électronégatif que les hydrogènes.
Le fait que les électrons des liaisons soient plus près de l'oxygène que des l'hydrogènes va rendre les liaisons polaires (barycentre des charges positifs n'est pas confondu avec celui des charges négatives).
On peut se douter que la polarisation des laisons va rendre possible une interaction de la molécule...

Secondo:Une différence une potentiel (ddp) près d'une électrode va attirer à elle les molécules d'eau.
Il faut savoir que la surface d'une électrode est très rugueuse et compte de très nombreux interstices où les molécules d'eau pourront se loger.
Une fois "adsorbée" (molécule d'eau logée dans une interstice) la molécule d'eau va vouloir se réarranger et va donc réaliser des réactions chimiques.

Tertio!Ces réactions nécessitent l'intervention d'électrons "provenant" de ton générateur de tension.
Une fois la réaction faite l'oxydant ou le réducteur des couples rédox de l'eau
(les produits finaux de la réaction) s'échappent des interstices pour rejoindre ta solution électrolytique.

C'est en très très gros l'idée de ce qui se passe lors d'une réaction d'oxydo-réduction forcée à l'interface d'une électrode.

Les couples d'oxydo réduction de l'eau sont H+(aq)/H20 et H2O/O2.
Celà veut dire au final suivant quelle électrode (anode ou cathode) tu auras au final soit des ions oxonium (H30+) ou O2.
Par contre dire comment les molécules se réarrangent pour produire ces produits finaux relève de la cinétique chimique et c'est relativement complexe.

Concernant la tension et le courant: dire qu'il faut une tension de 1.5 volt (j'ai pas vérifié) veut dire qu'il faut au moins cette tension si tu veux que la réaction de protolyse se réalise. Mais ça ne veut pas dire qu'elle va se réaliser très vite (notion thermodynamique et cinétique sont totalement différents)! Tout dépend de la nature de ton électrode. Parfois il faudra fournir une surtension pour que la réaction se fasse rapidement.


pour la liaison: Il faut savoir que les électrons sont en mouvement incessant autour des atomes, ils ne sont pas immobiles.

Voilà.
Si tu as d'autres questions, n'hésite pas!

[marsan09]

bonjour,
citation "" Les couples d'oxydo réduction de l'eau sont H+(aq)/H20 et H2O/O2. ""
Il y a des confusions à ne pas faire, H+ / H2O est un couple acide / base et H2O/O2 est un couple oxydant / réducteur.
Les deux couples oxydant / réducteur de l'eau sont H+/H2 : 0V (par convention)
O2/H2O : +1,23V ( j'ai écrit à côté les potentiels normaux )

Ensuite tout va dépendre du pH de la solution, mais le pH ne change pas le fait que ce sont bien les 2 couples oxydant / réducteur ci-dessus qui interviennent.

Prenons la réaction acide base : H2O + H+ = H3O+
elle signifie que suivant le pH on pourra trouver majoritairement les substances H2O ou H3O+, mais le couple ox / réd est encore H+ / H2O.

Prenons la réaction acide base : H2O = H+ + OH-
elle signifie que suivant le pH on pourra trouver majoritairement les substances H2O ou OH- mais le couple ox / réd est encore O2 / H2O

L'électrolyse de l'eau se fait dans la pratique en milieu acide (acide sulfurique), au pôle - on a alors H3O+ (ou H+) qui est réduit et au pôle +, on a alors H2O qui est oxydé.
En milieu basique (soude), au pôle - on a alors H2O qui est réduit et au pôle +, on a alors OH- qui est oxydé.
Donc, ce n'est pas la peine de compliquer ce qui se passe, le mieux est de s'en tenir aux 2 couples oxydant / réducteur de l'eau.
Lorsqu'on mesure la tension aux bornes des 2 électrodes, une intensité commence à circuler pour environ 1,23V car les conditions d'expérience ne sont pas standard, il suffit d'avoir deux multimètres pour le constater.

[invite1acecc80]

Bonjour.

Exact! Grosse erreur de ma part pour ce qui est du couple H+(aq)/H2 ( et non du couple H+(aq)/H20 : ça m'apprendra à ne pas me relire!

[invite1acecc80]

Donc, ce n'est pas la peine de compliquer ce qui se passe, le mieux est de s'en tenir aux 2 couples oxydant / réducteur de l'eau.
Lorsqu'on mesure la tension aux bornes des 2 électrodes, une intensité commence à circuler pour environ 1,23V car les conditions d'expérience ne sont pas standard, il suffit d'avoir deux multimètres pour le constater.

Par contre dire que tu t'en tires tout le temps avec les potentiels standards des 2 couples, c'est, certes, plus "simple" mais pas toujours juste.
D'ailleurs, dire que tu as à 1.23V un courant qui circule n'est pas tout à fait exact (si je ne me trompe pas, corrige moi sinon, il faut une surtension cathodique si tu veux observer un débit de bulle suffisant, suivant l'électrode).