EXEMPLES D ELECTROLYSE

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1 1 T.P-cours de Chimie n 11 EXEMPLES D ELECTROLYSE A. Affinage du cuivre. A.1. Montage expérimental. Séparer On dispose d'un générateur de courant continu réglable muni d'un voltmètre et d un ampèremètre. L'électrolyseur utilisé est constitué : d'un bécher de 150 ml contenant la solution électrolytique, de deux électrodes de cuivre soigneusement décapées et dégraissées : un fil pour l anode et une plaque pour la cathode. Ne pas mettre les doigts sur les parties qui vont être immergées. Peser les électrodes et noter leurs masses respectives au centigramme près. Dessiner le schéma du circuit électrique à réaliser pour effectuer cette électrolyse en y insérant l appareil nécessaire pour pouvoir mesurer l intensité du courant et en mettant en évidence anode et cathode. Verser dans le bécher environ 80 ml de solution de sulfate de cuivre (II) à la concentration de 1,0 mol L -1, ajouter le turbulent, placer les électrodes et mettre en marche l agitation. L'agitation constante de la solution est essentielle pour assurer la stabilité du courant. Mettre le générateur sous tension et régler rapidement l intensité du courant à 0,40 A. Déclencher le chronomètre. La durée de l'électrolyse est fixée à 30 minutes. Pendant ce temps passer aux questions A.2. Au bout de 30 minutes, ouvrir le circuit, extraire les deux électrodes et les rincer à l eau distillée. Observer et décrire l état des deux électrodes. Sécher doucement les deux électrodes à l aide d'un sèche-cheveux électrique. Peser à nouveau chaque électrode et calculer la variation de leur masse respective. Quelle constatation peut-on faire compte tenu de la précision de la balance utilisée? A.2. Interprétation. Compléter le schéma réalisé précédemment en indiquant le sens du courant dans le circuit électrique, le sens de déplacement des électrons et celui du déplacement des ions cuivre (II) dans la solution électrolytique. Ecrire les réactions aux électrodes (couple en jeu : Cu 2+ /Cu). En déduire la réaction d'oxydoréduction correspondant à la transformation chimique provoquée par le passage du courant dans le circuit. Justifier l'expression "électrolyse à anode soluble". Pourquoi cette technique permet-elle de purifier du cuivre contenant des traces de métaux précieux inoxydables dans ces conditions? Calculer la quantité d électricité qui a traversé le circuit pendant la durée de l'électrolyse. En déduire la masse théorique du dépôt de cuivre. La comparer à la masse mesurée. B. Une application aux dépôts électrolytiques : l électrozingage. B.1. Situation problème lème. On se propose de réaliser un dépôt de zinc sur une lame de fer par électrozingage. Dresser la liste du matériel et des produits nécessaires pour y parvenir ; schématiser le montage. Peser les électrodes et réaliser le montage. Fixer la durée de l électrolyse à 20 minutes et l intensité du courant à 0,40 A. En attendant la fin de cette électrolyse : écrire les réactions aux électrodes (couple en jeu : Zn 2+ /Zn); calculer la masse théorique du dépôt de zinc ; quel peut être l'intérêt du recouvrement d'une pièce de fer par du zinc? B.2. Vérification. Au bout de 20 minutes, ouvrir le circuit, extraire la cathode de l électrolyseur avec précaution, la rincer à l eau distillée et la sécher doucement. Déterminer la masse du dépôt métallique. Comparer à la valeur attendue. Calculer l épaisseur moyenne de ce dépôt (masse volumique du zinc : µ = 7100 kg m -3 ). 1 1 Données : masses molaires : M(Cu) = 63,5 g.mol ; M(Zn) = 65,4 g.mol.

2 Éléments de correction 2 A. Affinage du cuivre. Cathode Anode pôle - pôle + plaque épaisse Masse avant : 63,3 g Masse après : 63,5 g fil Masse avant : 4,6 g Masse après : 4,2 g Cu = e Cu + Cathode CuAnode = Cu + 2e U = 2,2 V ; I = 0,40 A Q = z F xmax = I t ; x max = 0,037 mol ; m = 0,24 g.

3 3 B. Une application aux dépôts d électrolytiques : l électrozingage. Cathode Anode pôle - pôle + Fer Masse avant : 55,2 g Masse après : 55,4 g Zinc Masse avant : 7,1 g Masse après : 6,9 g Zn 2 + 2e = Zn Zn = Zn + 2e

4 4

5 5 U = 1,2 V ; I = 0,40 A Q = z F xmax = I t ; x max = 0,025 mol ; m = 0,16 g. Surface : 2,90 cm 2,55 cm

6 6 Spé TP 11 quelques électrolyses Bureau : S1 : 1 L de solution de sulfate de cuivre (II) de concentration molaire 1,0 mol.l -1. S2 : mélange de 70 g de chlorure de zinc et 100 g de chlorure d'ammonium dans 1 L d eau distillée. Sèche-cheveux électrique, Un aimant, 2 balances au centigramme, 8 groupes : Générateur de tension continue (0 30 V), Support d électrodes, Chronomètre, Une plaque de cuivre*, un gros fil de cuivre (de même longueur que la plaque), Une plaque de zinc et une plaque de fer* (de mêmes dimensions), Agitateur magnétique et turbulent, Bécher de 150 ml, Soucoupe, Papier absorbant, Fils électriques. *Préparation préalable des plaques de cuivre et de fer sur 5 cm environ : - polissage à la toile émeri fine, - dégraissage à l'aide d acétone, - décapage par immersion dans une solution d'acide chlorhydrique concentré (1 à 2 mol.l -1 ), (Entre chaque étape, rincer à l'eau distillée et ne pas toucher la plaque avec les doigts).

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