Notre vie et notre technologie seraient-elles les mêmes sans les fils de cuivre conducteurs, les conteneurs en aluminium, les tôles galvanisées, les circuits microélectroniques et les alliages de magnésium ?
Qu'est-ce que tous ces matériaux ont en commun avec les bijoux plaqués or ou argent et les pennies américains ? Le dénominateur commun est que le processus de production de tous ces matériaux fait appel à l'électrolyse, une opération industrielle qui est un exemple de chimie appliquée.
Vers 1800, l'Anglais Humphry Davy réalise les premières études sur l'électrochimie. C'est Michael Faraday (1791-1867), premier assistant de Davy, qui énonce les lois permettant de comprendre et de quantifier ces processus. Vers 1842, Werner von Siemens, officier d'artillerie prussien et pionnier industriel, met au point des procédés de galvanoplastie.
Mais qu'est-ce qu'un processus d'électrolyse ? Il s'agit essentiellement d'une réaction chimique d'oxydo-réduction, au cours de laquelle des électrons sont transférés d'une espèce chimique à une autre. Comme il s'agit d'un processus chimique non spontané, il faut utiliser de l'énergie électrique pour que la réaction ait lieu. Cette dépense d'électricité est compensée par les propriétés et les coûts des matériaux fabriqués lors de l'électrolyse. Un tel processus est capable de transformer des matières premières peu coûteuses telles que le sel et l'eau en produits de valeur industrielle tels que NaOH (soude caustique), Cl2 (chlore) et H2 (hydrogène). Cette méthode, connue sous le nom industriel de chlore-alcali, consomme 0,5 % de toute l'énergie électrique produite aux États-Unis.
Le magnésium, indispensable à la production d'alliages métalliques structurels légers, se trouve principalement dans l'eau de mer, combiné sous la forme d'un sel dissous, le chlorure de magnésium (MgCl2). Ce sel est séparé de l'eau de mer par cristallisation fractionnée, à partir de laquelle le magnésium est préparé à l'état métallique par un processus d'électrolyse. L'élément combiné gagne ainsi des électrons (il est réduit) et passe à l'état métallique. En même temps, les chlorures sont oxydés et le chlore est obtenu comme sous-produit.
Une autre application est le bain ou le dépôt électrolytique. Dans ce processus, un métal, généralement peu coûteux, est recouvert d'une fine couche d'un autre métal, plus coûteux et doté de meilleures propriétés, au cours d'un processus électrolytique, à des fins décoratives ou de protection contre la corrosion.
Le processus industriel d'affinage électrolytique est une autre application de l'électrolyse. Il permet d'obtenir du cuivre métallique pur.
Dans ce cas, une anode de cuivre impur et une cathode de cuivre pur sont toutes deux immergées dans une solution d'un composé de cuivre. Sous l'effet du courant électrique, l'anode impure se dissout et le cuivre se dépose sur la cathode, mais à l'état pur. Les impuretés qui se déposent dans la cuve d'électrolyse, appelées boues d'anode, sont riches en or et en argent. La récupération des métaux précieux dans ces boues permet de compenser le coût de l'électrolyse.
Certaines matières plastiques peuvent également être recouvertes de métal par électrolyse. Pour ce faire, il faut d'abord rendre le plastique conducteur en collant une couche de poudre de graphite (une variété allotropique de carbone) à sa surface. Le dépôt électrolytique de cuivre sur du plastique a permis d'améliorer la qualité des circuits microélectroniques.
Jusqu'en 1884, l'aluminium était considéré comme un métal semi-précieux. Il coûtait environ vingt dollars par kilogramme à produire et était utilisé exclusivement pour la bijouterie et l'ornementation. Mais en 1886, avec la mise au point du procédé Hall Héroult, qui permet d'obtenir de l'aluminium très pur par voie électrolytique, les applications technologiques de ce métal ont commencé à se développer. Dans notre pays, l'une des industries métallurgiques les plus importantes est celle qui se consacre à la production électrolytique de l'aluminium. Le processus métallurgique utilisé permet d'obtenir le métal à partir de la bauxite, un minéral qui contient de l'oxyde d'aluminium (Al2O3) comme matière première et de l'oxyde de fer (Fe2O3) comme principale impureté. Les oxydes sont séparés par dissolution alcaline de l'aluminium et l'on obtient à nouveau de l'oxyde d'aluminium pur. Celui-ci est soumis à un processus électrolytique mélangé à de la cryolite (Na3AlF6) pour abaisser le point de fusion élevé de l'oxyde. On obtient ainsi un aluminium d'une pureté supérieure à 99 %.
L'installation de ces usines d'aluminium se fait généralement à proximité de centrales hydroélectriques, car environ 15 000 kWh sont consommés par tonne d'aluminium.
Source : Estela Mónica López Sardi Maître de conférences à la Faculté d'ingénierie - UP