Généralités sur le laboratoire d’électrochimie

Le Département du Génie Chimique possède actuellement des laboratoires : à savoir un laboratoire de chimie minérale, un laboratoire de chimie organique, un laboratoire de technologie chimique. Comme les recherches et les applications d’intérêts pédagogiques et industriels de l’électrochimie sont nombreuses et très développés, l’existence d’un laboratoire d’électrochimie au sein de Département de Génie Chimique offre de nombreuses perspectives et d’intéressantes opportunités dans le domaine de la recherche et de la pédagogie. Ce qui nous a amené à choisir ce sujet de mémoire dont l’objectif est la création d’une unité de laboratoire d’électrochimie au sein du Département de Génie Chimique.

GENERALITES SUR LE LABORATOIRE D’ELECTROCHIMIE

Electrochimie

On peut voir la définition et l’historique de l’électrochimie .

Définition

L’électrochimie est l’une des branches spécialisées de la chimie physique, située à mi-chemin de la physique et de la chimie. Plus particulièrement, l’électrochimie s’intéresse aux relations qui peuvent exister entre l’énergie électrique et l’énergie chimique. En pratique, elle se limite au cas où ces particules sont présentés dans une phase condensée solide ou liquide et lorsqu’il existe un champ électrique appliqué au système, ou crée par lui.

Historique

Le début de l’histoire de l’électrochimie se confond avec celle de l’électricité. En effet, elle est née des expériences de A. Volta qui, en 1799, réalisa le premier, grâce à la pile qui porte son nom, la transformation d’énergie chimique en énergie électrique. La découverte de cette pile eut, dans le monde d’alors, un très grand retentissement et dès 1800, W. Nicholson et A. Carlisle décomposèrent l’eau grâce au courant électrique. Ensuite, H. Davy, en faisant passer du courant au travers d’oxydes fondus, obtint du sodium et du potassium métalliques (1806-1807). En 1813, M. Faraday un ancien relieur, devint le préparateur de Davy à la Royal Institution. Il devait apporter, dans les années suivantes, une contribution fondamentale à l’électrochimie, de sorte qu’il devint d’abord le disciple, puis le successeur de Davy. En 1832, Faraday établit la loi fondamentale de l’électrolyse suivant laquelle le transport d’un équivalent gramme de substance quelconque est liée à celui d’une quantité déterminée d’électricité F égale à 96474 coulombs. Cette quantité est dite équivalent électrochimique ou constante de Faraday. La loi de Faraday peut se résumer ainsi. Où m est la masse d’un élément de masse atomique M, Q la quantité d’électricité en C ( égale au produit de l’intensité I en A par le temps t en s, n est le nombre de charges portées par l’ion et F la constante de Faraday.

Finalement, vers 1880, avec l’apparition des premières machines a courant continu, c’est à cette époque que l’électrochimie et l’électricité se séparent pour évoluer séparément.

Présentation sommaire des notions de base en électrochimie

L’électrochimie est basée sur les notions telles que: la loi fondamentale de Faraday, électrolytes (théorie de la dissociation électrolytique), électrode : cathode-anode, les réactions électrochimiques, tension d’électrode à l’équilibre, grandeurs électriques très courantes, c’est-à-dire tension de décomposition, tension de l’anode à l’équilibre, tension de cathode à l’équilibre, tension de l’électrolyse, densité de courant, cations et anions.

Notions d’électrolyses

L’électrolyse est la décomposition chimique au moyen de l’électricité. Ce terme fut crée lorsque l’on découvrit que le passage du courant dans certaines substances conductrices (solution aqueuse, sels fondus, etc.…) permettait de les décomposer.

Matériellement, une électrolyse nécessite :
– une cuve d’électrolyse contenant la solution à étudier
– deux électrodes plongeant dans la solution (l’anode et la cathode)
– un générateur fournissant un courant continu pouvant être variable
– un ampèremètre et un voltmètre.

L’électrolyse est basée sur la loi fondamentale de Faraday qui s’énonce comme suit :

« La quantité de substance qui se produit et qui se consomme à chaque électrode est proportionnelle à la quantité de charge électrique utilisée. Cette quantité de charge est égale au produit de l’intensité de courant constant où à l’intégrale du courant sur toute la durée de l’électrolyse si le courant est variable ».

Le courant de l’électrolyse indique donc la vitesse des mouvements de substances (ions) dans la solution. Ces transports de substances procèdent de plusieurs phénomènes : convection, migration et diffusion.

* Convection
Ils apparaissent dans la solution des mouvements de liquide dus à la convection, mais ceux-ci peuvent être facilement éliminés par des moyens mécaniques (agitation) ; ils n’influencent pas l’intensité du courant.
* Migration
A cause de la différence de potentiel entre deux électrodes il existe un champ électrique entre ces électrodes et les ions se déplacent vers l’électrode de signe opposé sous l’effet de ce champ.
* Diffusion
La solution a une concentration homogène au début de l’électrolyse et une électrode plongée dans cette solution prend un potentiel bien déterminé appelé potentiel d’équilibre. Si le potentiel de cette électrode est imposé, la substance électro-active se réduit ou s’oxyde selon la valeur du potentiel de l’électrode. Ainsi, dans le cas d’une réduction par exemple si Aⁿ⁺ est l’ion l’électro-actif, cet ion se réduit par capture d’un ou plusieurs électrons venant de la cathode et la concentration en Aⁿ⁺ diminuent autour de la cathode et est nulle au niveau de la surface de cette cathode. Ces ions subissent en fait au début une migration sous l’effet du champ électrique et arrivent au voisinage de la cathode où il existe une variation de gradient de concentration en Aⁿ⁺ . Cela provoque un mouvement des ions Aⁿ⁺ sous forme de diffusion.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : GENERALITES SUR LE LABORATOIRE D’ELECTROCHIMIE
1.1- Electrochimie
1.1.1- Définition
1.1.2- Historique
1.2-Présentation sommaire des notions de base en électrochimie
1.2.1- Notions d’électrolyse
1.2.2- Quelques notions essentielles et courantes utilisées en électrochimie
1.3- Présentation générale de matériel d’un laboratoire en électrochimie
1.3.1- Fonction d’un laboratoire d’électrochimie
1.3.2- Equipement électrique d’un laboratoire d’électrochimie
1.3.3- Equipement non électrique d’un laboratoire d’électrochimie
Chapitre 2 : NATURE DES ESSAIS REALISES AU LABORATOIRE D’ELECTROCHIMIE
2.1- Essais d’obtention des courbes intensité-potentiels
2.2- Essais d’électrolyse
2.2.1- Considération générale sur l’électrolyse
2.2.2- Éléments à prendre en considération dans l’étude d’une électrolyse
2.2.3- Considérations sur les cellules d’électrolyse
2.2.4- Electrolyse séparative
2.3- Essais d’électrodéposition en laboratoire
2.4- Essais sur le cas particulier de l’électrolyse en continu
Chapitre 3 : GENERALITES SUR LES APPLICATIONS PRATIQUES D’INTERET INDUSTRIEL
3.1- Chromage
3.1.1- Principe
3.1.2- Bains de chromage
3.1.3- Conditions opératoires
3.1.4- Différents types de chromage
3.2- Nickelage
3.2.1- Principe
3.2.2- Bains de nickelage
3.2.3- Conditions opératoires
CONCLUSION