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PROBLEME A RESOUDRE n° 11-B : ELABORATION DU ZINC PAR ELECTROLYSE (Bac 2003 - LA REUNION)

(Calculatrice interdite)

 

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 TRANSFORMATION

A-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.


PARTIE B - EXPLOITATIONS


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).

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