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).