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.
a) Schématiser
l'électrolyseur, en précisant le nom de chaque électrode, leur polarité et le
sens de déplacement des espèces chargées.
b) Quelles sont les
réactions susceptibles de se produire sur chaque électrode sachant que c'est le
solvant qui est oxydé en O2? On donne les couples oxydant-réducteur
:
Zn2+(aq)/Zn(s)
; H+(aq)/H2(g) ;O2(g)/H2O(l).
a) En justifiant le
choix des couples, vérifier que l'équation de la réaction globale de cette
électrolyse est :
Zn2+(aq)+
H2O(l) = Zn(s) + 0,5 O2(g)+2 H+(aq)
b) S'agit-il d'une
transformation spontanée ou forcée ? Pourquoi ? Quelle vérification théorique
proposeriez-vous?
c) 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 I = 80 kA. Après
quarante-huit heures de fonctionnement, le dépôt de zinc est suffisamment
épais. Il est alors séparé de l'électrode, fondu et coulé en lingots.
a) Quelle est la
relation entre l'avancement x de la réaction et la quantité d'électricité Q
transportée dans cet électrolyseur ?
b) Quel est l'ordre de
grandeur de la masse de zinc produite par une cellule en une durée Dt = 2 jours ?
a) En fait, on obtient
une quantité de zinc inférieure à celle attendue. Pourquoi ?
b) A l'autre électrode
on récupère le dioxygène. Le rendement de la réaction qui le produit est de 80
% et le volume molaire est de 24 L.mol-1 dans les conditions
expérimentales. Donner la relation entre l'avancement final xf et le
volume v (O2) de dioxygène récupéré. Quelle est la valeur de ce
volume?
Données : masse
molaire M n = 65,4 g.mol-1 ; masse volumique Zn : 7,14
g.cm-3 ; un Faraday : 9,65.104 C.mol-1.