Cellule d’électrolyse

Calculer des produits d’électrodes choisis

Choisissez une voie de réaction, un courant constant I et une durée. « Rendements et conditions de gaz » contient la part de charge attribuée à chaque produit choisi ainsi que la température T et la pression p du gaz sec. Calculer montre les quantités à la fin de la durée. Saisissez un instant en secondes ou déplacez le curseur pour lire les quantités antérieures ; 0 s est le début. Modifier un paramètre du modèle efface le résultat précédent. Choisir un exemple ramène l’instant à la fin.

Loi de Faraday

Pour le temps écoulé t, Q = It et n_e = Q/F. À chaque électrode la charge choisie est ηQ et la quantité de produit est n = ηQ/(zF), où η se saisit en pourcentage. Chaque H₂, Cl₂ ou Cu correspond à un transfert de z = 2 électrons ; chaque O₂ à z = 4. Les constantes utilisées sont F = 96485.33212331 C/mol et R = 8.31446261815324 kPa·L/(mol·K). Elles suivent de la charge élémentaire définie SI, de la constante d’Avogadro et de la constante de Boltzmann.

Les deux électrodes portent le même courant. Leurs assignations de charge ne sont pas des quantités séparées à additionner. À chaque électrode, (1 − η)Q n’est pas assigné au produit choisi ; l’outil ne le transforme pas en un produit secondaire nommé. η est un rendement faradique de produit fourni, pas une prédiction de sélectivité ou de rendement énergétique.

Demi-réactions choisies

Eau acidifiée : cathode 2H⁺ + 2e⁻ → H₂ ; anode 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻. Voie chlorure choisie : cathode 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ ; anode 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻. Dépôt de cuivre : cathode Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu ; l’anode inerte utilise la réaction d’oxydation de l’eau et produit O₂. Une anode de cuivre qui se dissout n’est pas modélisée.

Le choix chlorure spécifie une voie de réaction ; il ne prédit pas du chlore pur à partir d’une solution aqueuse de chlorure arbitraire. L’oxydation du chlorure et l’oxydation de l’eau peuvent concurrencer. Le matériau d’électrode, la composition et les conditions de fonctionnement affectent les produits réels, et ces effets sont hors de ce calcul.

Volume de gaz, masse de cuivre et exemple

Le volume de gaz idéal sec est V = nRT/p en litres. La masse de cuivre est m = nM_Cu en grammes, avec M_Cu ≈ 63,546 g/mol comme approximation standard sujette à la variabilité isotopique naturelle. Le cuivre n’a pas de sortie de volume de gaz. Le graphique compare les deux produits en mmol sur un axe de quantité commun. Des taux constants rendent les courbes tracées des droites.

L’exemple Un faraday fixe I = 2 A et une durée F/2 s, donnant Q = F et n_e = 1 mol. À 100 % de rendements de produit, les réactions d’eau choisies produisent 0,5 mol H₂ et 0,25 mol O₂. Réduire de moitié seulement le rendement cathodique réduit de moitié sa quantité de produit tout en laissant la quantité anodique inchangée. Un courant nul ou une durée nulle donne une charge et des produits nuls.

Portée

Les plages d’entrée sont I = 0…100 A, durée 0…86400 s, chaque rendement 0…100 %, température de gaz 273,15…373,15 K et pression 50…200 kPa. Ce sont des limites de produit et d’affichage. T et p spécifient le gaz sec collecté, pas une température d’électrolyte calculée ni une géométrie d’appareil. La dissolution de gaz, la vapeur d’eau, les activités, les réserves de réactifs finies, la cinétique et la prédiction de tension ou de courant sont exclus.

Sources

• OpenStax Chemistry 2e, §17.7: Electrolysis — calculs de Faraday, réactions d’électrodes et voies d’oxydation concurrentes.
• NIST: 2022 CODATA recommended values — constantes SI, Faraday et constantes molaires des gaz.
• CIAAW: Copper — masse atomique standard et variabilité isotopique.