Chimie – travaux pratiques sur l'élaboration du zinc par électrolyse - correction, Exercices de Biochimie et Instrumentation
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Melissa_s24 April 2014

Chimie – travaux pratiques sur l'élaboration du zinc par électrolyse - correction, Exercices de Biochimie et Instrumentation

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Chimie – travaux pratiques sur l'élaboration du zinc par électrolyse - correction. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Étude de la transformation, Exploitations.
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élaboration du zinc par électrolyse 6,5pts SANS Calculatrice

2003 Réunion Exercice II. élaboration du zinc par électrolyse (6,5 points) Calculatrice interdite

Correction

A - Étude de la transformation.

1. Le solvant est l'eau, elle subit une oxydation à l'anode : 2 H2O(l) = O2 (g) + 4 e– + 4 H+(aq)

A la cathode se déroule une réduction. Deux réactions sont possibles :

Couple H+(aq) / H2(g) alors 2 H+(aq) + 2 e– = H2 (g) mais l'énoncé ne mentionne un dégagement

gazeux qu'à une des deux électrodes.

Couple Zn2+(aq) / Zn(s) alors Zn2+ + 2 e– = Zn(s) conforme à l'énoncé qui indique un dépôt métallique.

2.

Les électrons sont libérés par la borne – du générateur et

capturés par la borne +.

Les anions portent une charge électrique négative, ils sont

attirés par l'anode reliée à la borne positive du générateur.

Les cations portent une charge électrique positive, ils sont

attirés vers la cathode reliée à la borne négative du générateur.

3. L'oxydation de H+ en dihydrogène gazeux n'a pas lieu. Le seul gaz dégagé est le dioxygène.

On a donc les deux demi-équations suivantes :

Oxydation 2 H2O(l) = O2 (g) + 4 e– + 4 H+(aq) (1)

Réduction Zn2+ + 2 e– = Zn(s) (2)

En faisant (1) + 2(2), on obtient

2 H2O(l) + 2 Zn2+(aq) = O2 (g) + 4 H+(aq) + 2 Zn(s)

on peut tout diviser par deux

alors on a Zn2+(aq) + H2O (l) = Zn(s) + 1

2 O2 (g) + 2 H+(aq).

Remarque : Il est possible d'utiliser des coefficients stœchiométriques non entiers (ils doivent être écrits

sous forme de fraction), en effet on raisonne à l'échelle macroscopique, c'est à dire en moles. Or il est

possible d'obtenir une demi mole. Lorsqu'on raisonnait au niveau microscopique (au collège), il n'était pas

concevable d'obtenir une demi molécule.

4. Cette transformation chimique est une transformation forcée. En effet l'eau et les ions Zn2+ ne

réagissent pas ensemble spontanément dans la solution aqueuse de sulfate de zinc, on n'observe jamais

l'apparition spontanée de métal Zn(s) dans une telle solution.

Pour que cette transformation chimique ait lieu, le générateur est nécessaire, il apporte de l'énergie aux

réactifs.

Vérification théorique : Il faudrait calculer le quotient de réaction dans l'état initial Qr,i et on constaterait

que Qr,i est supérieur à la constante d'équilibre K. Ce qui indiquerait que la transformation a lieu

spontanément en sens inverse.

5.équation chimique Zn2+(aq) + H2O (l) = Zn(s) + 1

2 O2 (g) + 2 H+(aq)

État du système Avancement

(mol) Quantités de matière (mol)

État initial x = 0 n excès nZn = 0 2O

n = 0 beaucoup

En cours de

transformation x n – x excès x

2

x beaucoup

État finalxf n – xf excès xf 2

f x

beaucoup

L'eau est le solvant présent en grande quantité donc en excès. La solution de sulfate de zinc est acidifiée

avec de l'acide sulfurique qui apporte dans l'état initial une grande quantité d'ions hydrogène H+(aq).

+ - électrons

Cathode Anode

Cations Anions

B - Exploitations

1. A chaque fois que la réaction a lieu une fois, ce sont deux électrons qui circulent dans le circuit. La

réaction a lieu x mol de fois.

Q = 2 x.F

2. D'après le tableau d'avancement nzn = xf , soit Q = 2.nZn.F.

et nZn = Zn

Zn

m

M donc Q = 2. Zn

Zn

m

M .F.

D'autre part Q = I.t

donc 2. Zn

Zn

m

M .F = I.t

mZn = . .

2

Zn I t M

F

mZn = 3

5

80.10 48 3600 65

2 10

  

 =

4 2

5

8,0.10 48 36.10 65

2 10

  

 =

2 4

5

65 8,0 36 48 10 10

2 10

    

mZn = 5 2 4

5

9.10 10 10

2 10

 

mZn = 4,5.106 g soit 4,5 tonnes donc un ordre de grandeur de 106 g.

3. La masse de zinc réellement obtenue est plus faible :

Il est possible que la réaction de réduction des ions H+ en dihydrogène gazeux ait lieu en même temps que

celle de réduction des ions Zn2+. Ainsi une partie des électrons mis en circulation par le générateur ne

serait pas disponible pour réduire Zn2+ en zinc métallique.

ou

Le rendement de la réduction de Zn2+ n'est pas de 100 %.

ou

L'énoncé indique "L'intensité du courant peut atteindre 80 kA", alors l'intensité du courant n'est peut être

pas constante.

4. D'après le tableau d'avancement 2O

n = 2

f x

et 2O

n = 2 O

m

V

V .

Q = 2 xf.F donc Q = 4 2O

n .F

Q = 4 2 O

m

V

V .F

Le rendement de la réaction étant de  = 80%, on a v = . 2O

V (=0,80. 2O

V ) ou 2O

V = v

Q = 4. m

v

.V .F

D'autre part Q = I.t, donc 4. m

v

.V .F = I.t

v = m I.Δt. .V

4.F

v = 3 2

5

80.10 48 36.10 0,80 24

4 10

   

 =

4 2

5

8.10 48 36.10 0,80 24

4 10

   

 =

4 4 2

5

1,4.10 10 10 0,80 24

4 10

   

v = 10

5

1,4.10 0,20 24

10

  = 1,4.105

1

5  24 = 1,4.1054,8

v = 6,7.105 L, donc ordre de grandeur de 106 L.

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