Modélisation du fonctionnement d'un électrolyseur

On s'appuie sur l'exemple de l'électrolyse de l'eau pour illustrer et modéliser le fonctionnement d'un électrolyseur. Les couples oxydant-réducteur de l'eau sont : \(\mathrm{H^+(aq)/H_2(g)}\) et \(\mathrm{O_2(g)/H_2O(\ell)}\).

On branche un générateur électrique aux bornes d'un électrolyseur contenant une solution aqueuse conductrice. Par convention, le courant électrique circule de la borne positive à la borne négative du générateur, les électrons circulent dans l'autre sens.

Au niveau de l'électrode A, des électrons doivent être générés, ce qui implique qu'une oxydation doit avoir lieu. On observe par ailleurs la formation d'un gaz. Ainsi, la seule transformation chimique pouvant avoir lieu est l'oxydation de l'eau, modélisée par la demi-équation électronique suivante : \(\mathrm{2H_2O(\ell)=O_2(g)+4H^+(aq)+4e^-}\).

Au niveau de l'électrode B, les électrons qui arrivent doivent être consommés, ce qui implique qu'une réduction se produit. On observe également, à cette électrode, la formation d'un gaz. La seule transformation chimique pouvant avoir lieu est la réduction de l'eau, modélisée par la demi-équation électronique suivante : \(\mathrm{2H^+(aq)+2e^-=H_2(g)}\).

Le gaz formé à l'électrode A est du dioxygène et celui qui se forme à l'électrode B est du dihydrogène. Des tests caractéristiques le confirment.

En combinant les demi-équations électroniques (en multipliant par deux la seconde et en l'additionnant à la première), on a : \(\mathrm{4H^+(aq)+4e^-+2H_2O(\ell)\rightleftarrows2H_2(g)+O_2(g)+4H^+(aq)+4e^-}\).

On retrouve bien l'équation de la réaction désirée, à savoir la formation de dihydrogène et de dioxygène à partir d'eau : \(\mathrm{2H_2O(\ell)\rightleftarrows2H_2(g)+O_2(g)}\).