ENONCE :
Les données numériques et leurs approximations sont données en fin d'exercice.Certains métaux sont préparés par électrolyse d'une solution aqueuse les contenant à l'état de cations. Plus de 50 % de la production mondiale de zinc sont obtenus par électrolyse d'une solution de sulfate de zinc acidifiée à l'acide sulfurique.
Les ions sulfate ne participent pas aux réactions électrochimiques. On observe un dépôt métallique sur l'une des électrodes et un dégagement gazeux sur l'autre.
PARTIE A - ETUDE DE LA TRANSFORMATIONA-1 Quelles sont les réactions susceptibles de se produire sur chaque électrode sachant que c'est le solvant qui est oxydé en dioxygène ?
On donne les couples oxydant / réducteur : Zn + + (aq) / Zn(s);
H + (aq) / H2(g);
O2(g) / H2O (liq)
A-2 Schématiser l'électrolyseur, en précisant le nom de chaque électrode, leur polarité et le sens de déplacement des espèces chargées.
A-3 En justifiant le choix des couples, vérifier que l'équation de la réaction globale de cette électrolyse est :
Zn + + (aq) + H2O (liq) = Zn (s) + 1/2 O2 (g) + 2 H + (aq)
A-4 S'agit-il d'une transformation spontanée ou forcée ? Pourquoi ?
Quelle vérification théorique proposeriez-vous ?
A-5 Etablir le tableau d'avancement correspondant à la réaction d'électrolyse.
L'électrolyse a lieu sous 3,5 V. L'intensité du courant peut atteindre 80 kA. Après 48 h de fonctionnement, le dépôt de zinc est suffisamment épais. Il est alors séparé de l'électrode, fondu et coulé en lingots.B-1 Quelle est la relation entre l'avancement X de la réaction et la quantité d'électricité Q transportée dans cet électrolyseur ?
B-2 Quelle est l'ordre de grandeur de la masse de zinc produite par une cellule en 2 jours ?
(On pourra utiliser des résultats de calcul donnés à la fin du sujet)
B-3 En fait, on obtient une quantité de zinc inférieure à celle attendue. Pourquoi ?
B-4 A l'autre électrode, on récupère le dioxygène. Le rendement de la réaction qui le produit est de 80 % et le volume molaire de 24 L . mol - 1 dans les conditions expérimentales.
Donner la relation entre l'avancement X et le volume v de dioxygène récupéré.
Quel est l'ordre de grandeur de ce volume v ?
Données Approximations pour le calcul Masse molaire Zn : 65,4 g / mol
65 g / mol
Masse volumique Zn : 7,14 g / cm3
7 g / cm3
1 Faraday : 96500 C / mol
9 ´ 10 5 C / mol
Autres
65 ´ 8 ´ 48 ´ 36
9 ´ 10 5
8 ´ 48 ´ 36
14000
65 ´ 48 / (8 ´ 36)
10
8 ´ 48 / 36
10
Après
avoir résolu ce problème, consultez la solution
type.
A VOIR :
Problème résolu n° 11-A : Electrolyse du sulfate de zinc.
Problème n° 11 B ci-dessus (à résoudre) : Elaboration du zinc (La Réunion 2003).