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Correction du TP n°20 : les électrolyses (transformations forcées)

I°)Aspect qualitatif d"une électrolyse

: électrolyse de la solution aqueuse d"iodure de zinc (II)

1°) Les espèces chimiques présentes dans le tube en U sont : H2O, Zn 2+(aq), I- (aq), H+ (aq) et OH- (aq) (issus de l"autoprotolyse de

l"eau)

2°) Les réactions possibles à l"anode (lieu de l"oxydation : libération d"électrons) sont : 2 H

2O = O2 (g) + 4 H+(aq) + 4 e ou

2I -(aq) = I2 (aq) + 2e

Les réactions possibles à la cathode (lieu de la réduction : capture d"électrons) sont : Zn

2+(aq) + 2e = Zn (s) ou

2H + (aq)+ 2e= H2 (g)

3°) Du coté de l"anode (électrode relié au pôle + du générateur) on observe une coloration rouge brune : il s"agit de diiode (I2).

Du côté de la cathode (électrode relié au pôle - du générateur) on nous précise qu"il y a un dépôt solide mais on observe aucun

dégagement gazeux : il s 'agit donc d"un dépôt de Zn.

4°)

5°) +6°) La réaction qui se produit effectivement à l"électrode reliée au + du générateur est : 2 I

-(aq) = I2 (aq) + 2e c"est une oxydation (anode).

La réaction qui se produit effectivement à l"électrode reliée au - du générateur est : Zn

2+(aq) + 2e = Zn (s)

c"est une réduction (cathode). II°) Aspect quantitatif d"une électrolyse : électrolyse de l"eau en milieu acide :

1°) Les conditions de l"expérience sont : p = 744,6 mm de Hg (soit 760

10.013,16,7445´ » 9,92.105 Pa)

Rappel : 760 mm de Hg correspond à 1 atm = 1,013.10

5 Pa q = 16,4 °C (T = 273,15+ 16,4 » 289,6 K)

Pour définir le volume molaire V

m on utilise l"équation des gaz parfaits : pV = nRT pour 1 mole elle s"écrit pV m=RT donc Vm=pRT V m=410.92,96,289314,8´» 0,0244 m3.mol-1 soit Vm »»»» 24,4 L.mol-1

2°) Les espèces chimiques présentes dans la cuve électrolytique sont : H

2O, H+ (aq) et SO42-(aq) (OH-(aq) est ultra minoritaire

pour l"incorporer dans cet inventaire car la solution est acide).

Les réactions possibles à l"anode (lieu de l"oxydation : libération d"électrons) sont : 2 H

2O = O2 (g) + 4 H+(aq) + 4 e ou

2 SO

42-(aq) = S2O82- (aq) + 2e

Les réactions possibles à la cathode (lieu de la réduction : capture d"électrons) sont : SO

42-(aq) + 4 H+(aq) + 2e= SO2 (aq) + 2H2O ou

2H + (aq)+ 2e= H2 (g)

Zn 2+(aq)

I- (aq)

i i e e

Dépôt de Zn

sur la cathode (lieu de la réduction)

Coloration rouge brun

liée au diiode sur l"anode (lieu de l"oxydation)

3°) Expérimentalement on a obtient un dégagement gazeux dans les 2 tubes gradués retournés : donc les réactions retenues à

chaque électrode sont : 2 H

2O = O2 (g) + 4 H+(aq) + 4 e à l"anode (oxydation : libération des électrons)

( 2H + (aq)+ 2e= H2 (g) )2´ à la cathode (réduction : capture des électrons) 2 H

2O = O2 (g) + 2 H2 (g)

Ces résultats sont confirmés par des tests : H

2 (g) : on enflamme une allumette et on l"approche du gaz : petite explosion (jappement !)

O

2 (g) : un bout de bois incandescent est approché du gaz , on constate qu"il se rallume .

4°)

Q = I´DDDDt = ne´NA´e= ne´F (avec NA= constante d"Avogadro = 6,02.1023 et e=1,6.10-19 C , F= constante de

Faraday = en valeur absolue, charge d"une mole d"électrons = 96 500 C) .

5°) 2 H

2O = O2 (g) + 4 H+(aq) + 4 e à l"anode (oxydation : libération des électrons)

Etat initial Excès 0 Excès 0

Etat intermédiaire Excès -2x x Excès + 4x 4x Le nombre de moles d"électrons à la date t (ou durée Dt) noté n e correspond à 4x. La relation du 4°) ci-dessus s"écrit donc : Q =I

´Dt = ne´NA´e= 4x´F d"où x = F4

tID´

6°) Le volume de dioxgène dégagé à l"anode est donné par la relation : V(O2) = n(O2)´Vm= x´Vm=F4

tID´´Vm

AN: V(O2) =96500426030,0

´´´24,4 » 4,9.10-3 L (4,9 mL) (avec un ampérage de 0,30 A pour une durée de 260 s)

Expérimentalement on trouve 5 mL, ce qui fait un % d"erreur de

59,45-´100 » 2 % d"erreur

Le volume de dihydrogène dégagé à la cathode est le double du volume de dioxygène (voir équation-bilan) donc n(H

2) =2n(O2)

donc V(H

2) = n(H2)´Vm= 2x´Vm= F2

tID´´Vm=2´ V(O2)

AN: V(H2) =96500226030,0

´´´24,4 » 9,7.10-3 L (9,7 mL) (avec un ampérage de 0,30 A pour une durée de 260 s)

Expérimentalement on trouve 10 mL, ce qui fait un % d"erreur de

107,910-´100» 3 % d"erreur

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