EXEMPLES D ELECTROLYSE

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1 Eau et énergie Séances 1et 2 EXEMPLES D ELECTROLYSE Séance1 : Affinage du cuivre par électrolyse : La plupart des métaux, obtenus à partir de minerais, sont trop impurs pour certains usages. Il faut donc les purifier. C est le cas notamment du cuivre : son taux de pureté de 99% est insuffisant pour conférer une bonne conductivité électrique, nécessaire pour les câbles. On procède donc à un affinage électrolytique. 1- Préparation de la solution électrolytique On veut préparer 100,0 ml d une solution de sulfate de cuivre (II) pentahydraté (CuSO 4, 5 H 2 O) de concentration molaire en soluté apporté c = 0,20 mol.l 1. Calculer la masse de solide que l on doit prélever. Masses molaires en g.mol -1 : H : 1 O : 16 S : 32 Cu : 63,5 Préparer la solution. 2- Mise en œuvre expérimentale de l électrolyse Mesurer la masse de chaque électrode (notées m A et m B ). + Préparation de l électrolyseur : - verser dans le bécher la solution de sulfate de cuivre (II) de concentration molaire en soluté apporté égale à 0,20 mol.l 1. - agencer les électrodes en cuivre de manière à ce qu elles soient immergées sur une hauteur d environ 5 cm. Adapter les pinces crocodile aux extrémités des électrodes. - installer un agitateur magnétique et mettre l agitation en route A A B Réaliser un montage électrique conforme au schéma ci-contre sans le mettre sous tension. Choisir le calibre de l ampèremètre sachant que l intensité du courant débité sera de 0,75 A. Fermer l interrupteur, régler l intensité I du courant en faisant varier la tension aux bornes du générateur de manière à ce que I = 0,75 A et déclencher aussitôt le chronomètre pour mesurer la durée de l électrolyse. La durée de l'électrolyse est fixée à 15 min, valeur qui sera mesurée avec précision. De temps en temps, s assurer de la stabilité de l intensité du courant. Au bout de la durée de 15 min, couper l alimentation. Retirer les électrodes. Les rincer à l eau distillée. Les sécher à l aide d un sèche-cheveux. Les peser et noter les valeurs des nouvelles masses m A et m B. 3- Exploitation : 1- a) Qu observe-t-on sur l électrode B? Comment sa masse a-t-elle varié? b) Ecrire la demi-équation électronique modélisant la transformation se produisant à cette électrode. c) Est-ce l anode ou la cathode? Justifier. 2- a) Comment la masse de l électrode A a-t-elle varié? Ecrire la demi-équation électronique modélisant la transformation se produisant à cette électrode. b) Est-ce l anode ou la cathode? Justifier. c) Ce type d électrolyse est parfois appelée «électrolyse à anode soluble». Justifier cette expression. 3- Calculer la quantité d électricité ayant circulé dans le circuit au cours de l électrolyse. 4- Calculer la quantité de cuivre n f formée à une électrode et la quantité de cuivre n d disparu à l autre

2 électrode. En déduire les masses correspondantes m f et m d. Donnée : F = 9, C.mol Les mesures des masses des électrodes avant et après l électrolyse permettent-elles de retrouver ce résultat? Calculer l écart relatif pour l une des électrodes. Citer des causes pouvant expliquer cette différence. 6- Lors de l affinage du cuivre par électrolyse, le cuivre impur doit-il être situé à l anode ou à la cathode? Où retrouve-t-on le cuivre purifié? Séance2 : Electrolyse d une solution de iodure de potassium : 1- Réalisation de l électrolyse : Réaliser le montage ci-contre : + - Allumer le générateur et régler l intensité de manière à avoir I = 10 ma. Déclencher immédiatement le chronomètre. Maintenir cette intensité constante pendant t = 10,0 minutes. graphite Au bout de 10,0 minutes, éteindre le générateur et retirer les électrodes. a) Faire l inventaire des espèces chimiques présentes dans l électrolyseur. Quelles espèces sont susceptibles de réagir à l anode? à la cathode? couples : I 2 (aq)/ I - (aq) O 2 (g) / H 2 O (l) K + (aq) / K (s) H 2 O (l)/ H 2 (g) b) Il se produit un dégagement gazeux à la cathode. Solution de iodure de potassium Quel est obligatoirement ce gaz? Justifier. (K + + I - ) à 0,5 mol.l -1 c) Qu observe-t-on à l anode? Ecrire la demi-équation correspondante. d) La demi-équation à la cathode est : 2 H 2 O (l) + 2 e - = H 2 (g) + 2 HO - (aq). Ecrire l équation de la réaction d électrolyse. e) Calculer la quantité d électricité Q ayant traversé le circuit pendant la durée de l expérience. En déduire la quantité d électrons mise en jeu n(e - ). (F= 9, C.mol -1 ) f) Déterminer la quantité de diiode formée. 2- Dosage du diiode formé : Récupérer la solution contenue dans le tube en U dans un bécher. Rincer le tube en U avec de l eau distillée et récupérer l eau de rinçage dans le bécher. Titrer le diiode contenu dans le bécher avec une solution de thiosulfate de sodium (2 Na + + S 2 O 3 2- ) de concentration c = 0,010 mol.l -1. On ajoutera de l empois d amidon (ou du iodex) pour mieux détecter l équivalence (coloration noire en présence de diiode). Noter le volume à l équivalence V E. a) Ecrire l équation de la réaction de dosage. Couples I 2 / I - et S 4 O 6 2- / S 2 O 3 2- b) En déduire la quantité de diiode formée au cours de l électrolyse. Calculer l écart relatif avec la valeur théorique calculée en 1f.).

3 Paillasses élèves : - tube en U - électrodes de graphite - générateur continu variable - multimètre - 3 fils - 2 pinces croco - burette graduée - agitateur magnétique + barreau - 2 béchers (1 grand) - pissette d eau distillée - verre à pied - chronomètre - fiole jaugée 100 ml - entonnoir - capsule - 2 lames de cuivre - 1 support - 2 pinces en bois Paillasse prof : - solutions : - iodure de potassium acidifiée à 0,5 mol.l -1 - thiosulfate de sodium à 0,010 mol.l CuSO 4, 5 H 2 O - iodex + spatule - 2 balances (une à 0,01 g) - papier filtre - 2 spatules Remarque : la solution de KI doit être acidifiée pour évier la dismutation de I 2

4 TP : EXEMPLES D ELECTROLYSE Correction A- Electrolyse d une solution de iodure de potassium : 1- Réalisation de l électrolyse : a) Espèces chimiques présentes : eau H 2 O ions potassium K + ions iodure I - A l anode : les réducteurs pouvant subir une oxydation sont H 2 O et I -. A la cathode : les oxydants pouvant subir une réduction sont H 2 O et K +. b) A la cathode, le gaz qui se dégage est le dihydrogène H 2, réducteur conjugué de H 2 O (le réducteur conjugué de K + n est pas un gaz). c) A l anode, on observe une coloration brune : formation de diiode I 2 : 2 I - = I e -. d) 2 H 2 O + 2 I - = I 2 + H 2 + HO - e) Q = I t Q = ,0 60 = 6,0 C n(e - ) = Q / F n(e - ) = 6,0 / 9, = 6, mol f) 2 I - = I e - donc n(i 2 ) formé = n(e - ) / 2 n(i 2 ) formé = 6, / 2 = 3, mol 2- Dosage du diiode formé : a) I e - = 2 I - S 2 O 2-3 = S 4 O e - Equation: I S 2 O 2-3 = 2 I S 4 O 6 b) A l équivalence: les réactifs sont mélangés dans les proportions stœchiométriques : n(i 2 ) = n(s 2 O 3 2- ) / 2 = c.v E / 2 Avec V E = 6,2 ml : n(i 2 ) = 0,010 6, / 2 = 3, mol

5 B- Affinage du cuivre par électrolyse 1- Préparation de la solution électrolytique m = c.v.m avec M = 249,5 g.mol -1 m = 0,20 0, ,5 = 5,0 g. 3- Exploitation : 1- a) Sur l électrode B : on observe un dépôt de cuivre. Sa masse a augmenté. b) Cu e - = Cu c) Il s agit d une réduction : c est la cathode. 2- a) La masse de l électrode A diminue. Le cuivre est consommé : Cu = Cu e - b) C est une oxydation : il s agit de l anode. c) Au cours de l électrolyse, l anode est progressivement consommée et se retrouve dans la solution (sous forme d ions cuivre) : on parle d anode soluble. 3-Pour t = 15 minutes: Q = I t Q = 0,75 15,0 60 = 675 C 4- Q = n (e - ) F Soit n f la quantité de cuivre formée : Cu e - = Cu donc n f = n(e - ) / 2 = Q / 2 F n f = 675 / (2 9, ) = 3, mol = n d m f = m d = n f. M(Cu) m f = m d = 3, ,5 = 0,22 g 5- Expérimentalement : m f = m B m B m d = m A m A Causes possibles d erreur : - perte du dépôt de cuivre sur l électrode B avant la pesée (explique une valeur trop faible pour m B ) - électrodes mal séchées avant la deuxième pesée (explique une valeur trop forte pour m A et m B ) - variations de I au cours de l électrolyse - imprécision sur la mesure du temps - autres réactions non souhaitées (couples de l eau par exemple). 6- Le cuivre à purifier est placé à l anode. Au cours de l électrolyse, ce cuivre passe en solution (ainsi que les impuretés). Il se dépose du cuivre pur sur la cathode.

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