L'électrolyse d'une solution de sulfate de cuivre (CuSO₄)

1. La solution de sulfate de cuivre

Le sulfate de cuivre CuSO₄ est un composé ionique. Dissous dans l'eau, il donne une solution bleue qui contient :

• des ions cuivre II Cu²⁺ (qui donnent la couleur bleue) ;
• des ions sulfate SO₄^2- (incolores).

C'est un électrolyte : la solution conduit le courant. Quand on ferme le circuit, les ions Cu²⁺ migrent vers la cathode (reliée à la borne −) et les ions SO₄^2- vers l'anode (reliée à la borne +).

2. Électrolyse avec deux électrodes en graphite

Observations.

• Sur la cathode, il se forme un dépôt rouge-brun de cuivre métallique, qui s'épaissit peu à peu.
• Sur l'anode, de petites bulles de gaz se dégagent : ce gaz rallume une bûchette incandescente, c'est du dioxygène.
• La solution se décolore lentement : elle devient bleu pâle, puis presque incolore si l'électrolyse dure longtemps.

Interprétation à la cathode. Chaque ion Cu²⁺ qui arrive sur la cathode gagne 2 électrons, apportés par le générateur à travers le fil. Il devient un atome de cuivre neutre, qui se dépose :

Cu²⁺ + 2 e^- → Cu

Comme les ions Cu²⁺ disparaissent de la solution, la couleur bleue s'affaiblit.

Interprétation à l'anode. Les ions sulfate ne se transforment pas. Ce sont les molécules d'eau qui perdent des électrons au contact de l'anode et libèrent du dioxygène (comme dans l'électrolyse de l'eau). La solution devient peu à peu acide.

Le bilan de l'électrolyse avec électrodes en graphite peut s'écrire :

2 Cu²⁺ + 2 H₂O → 2 Cu + O₂ + 4 H^+

Vérification : Cu : 2 = 2 ; H : 4 = 4 ; O : 2 = 2 ; charges : 2 × (+2) = +4 à gauche et 4 × (+1) = +4 à droite.

3. Électrolyse avec une anode en cuivre (anode soluble)

On remplace l'anode en graphite par une lame de cuivre. La cathode peut être un objet quelconque conducteur (une lame de graphite, une clé, une pièce de fer bien décapée).

Observations.

• Sur la cathode, il se forme toujours un dépôt de cuivre.
• L'anode en cuivre s'use : elle devient plus mince et perd de la masse. Il n'y a pas de dégagement gazeux.
• La couleur bleue de la solution ne change pas.
• Si l'on pèse les électrodes avant et après, la masse perdue par l'anode est égale à la masse gagnée par la cathode.

Interprétation. À l'anode, les atomes de cuivre perdent 2 électrons et passent en solution sous forme d'ions Cu²⁺ :

Cu → Cu²⁺ + 2 e^-

À la cathode, autant d'ions Cu²⁺ gagnent 2 électrons et se déposent. Il se forme autant d'ions Cu²⁺ à l'anode qu'il en disparaît à la cathode : la concentration en ions Cu²⁺ reste constante, donc la couleur ne change pas. Tout se passe comme si le cuivre était transporté de l'anode vers la cathode : c'est l'électrolyse à anode soluble.

4. Les applications

Le cuivrage et les dépôts métalliques (galvanoplastie). Pour recouvrir un objet de cuivre, on en fait la cathode d'un électrolyseur contenant du sulfate de cuivre, avec une anode en cuivre. Le cuivre se dépose en couche fine et régulière sur l'objet. Avec d'autres solutions, on dépose de la même façon du nickel (nickelage), du chrome (chromage), de l'argent (argenture) ou de l'or (dorure). C'est ainsi qu'on fabrique les bracelets du marché de Madina, les robinets chromés ou les couverts argentés.

Le raffinage du cuivre. Le cuivre extrait du minerai contient des impuretés, qui diminuent sa conductivité. On en fait l'anode d'un électrolyseur ; la cathode est une fine feuille de cuivre pur. Le cuivre de l'anode passe en solution et se dépose, pur, sur la cathode ; les impuretés tombent au fond de la cuve. On obtient un cuivre pur à plus de 99,9 %, indispensable pour les fils électriques.

5. Pour aller plus loin : relier masse et quantité d'électricité

Pour déposer un atome de cuivre, il faut 2 électrons. Une mole d'électrons porte une charge d'environ 96 500 C (c'est le faraday). Pour déposer une mole de cuivre (63,5 g), il faut donc 2 moles d'électrons, soit 2 × 96 500 = 193 000 C.