TP n° 9 Exemples de transformations forcées

I. Objectifs

Montrer que l’électrolyse est une transformation forcée.

Effectuer le bilan quantitatif d’ une électrolyse

II. L’électrolyse : une transformation forcée

1. Rappel sur la transformation spontanée

Dans le système contenant dans des proportions voisines : Cu _{( s )}; Zn _{( s )}; Cu ^{2 +}_{(
aq )}; Zn ^{2 +}_{( aq )}une réaction spontanée se produit. Elle est modélisée par l’équation chimique Zn _{( s )}+ Cu ^{2 +}_{( aq )} = Zn ^{2 +}_{( aq )} + Cu _{( s )} et se traduit par une évolution dans le sens direct, au cours de laquelle on observe un échange d’électrons entre les réactifs directement ou à travers un circuit électrique.

2. Exemple de transformation forcée

Réaliser le circuit ci-contre en utilisant des électrodes de cuivre et une solution de sulfate de zinc. Le générateur est un générateur de tension continue constante égale à 6V.

Le courant passe-t-il ? Dans quel sens ?

Observer, au bout de quelques instants, les électrodes et la solution.

La transformation chimique qui a lieu pendant l’électrolyse peut-elle être modélisée par la même équation ?

Dans quel sens cette transformation se produit-elle ?

Placer sur le schéma le sens de circulation de tous les porteurs de charge du circuit.

En déduire les réactions qui ont lieu aux électrodes.

Nommer les électrodes.

III. Aspect qualitatif : électrolyse d’une solution d’iodure de zinc

1. Expérience

Remplir un tube en U avec la solution aqueuse d’iodure de zinc (II) de concentration molaire 0,25 mol.L^-1.

Ajuster la tension aux bornes du générateur à 15 V.

Réaliser le montage comprenant en série : un générateur de tension continue réglable, un multimètre utilisé en voltmètre, un interrupteur, une électrode de cuivre (reliée au pôle négatif du générateur) et une électrode de graphite (reliée au pôle positif du générateur) plongeant dans la solution aqueuse d’iodure de zinc (II).

Placer environ 1 mL de cyclohexane dans le tube en U du côté de l’électrode de graphite.

Fermer l'interrupteur. Agiter de temps en temps l’électrode de graphite

Au bout de quelques instants, observer les électrodes et l'aspect du cyclohexane ajouté.

En déduire les espèces formées lors de l’électrolyse .

Compléter le schéma

2. Exploitation

Sur le schéma , indiquer le sens de circulation des porteurs de charge dans tout le circuit.

Faire le bilan des espèces chimiques présentes initialement dans le système, préciser les couples rédox auxquels appartiennent ces espèces.

Après migration des ions, faire le bilan des espèces susceptibles de réagir au niveau de chaque électrode.

D’après les observations, indiquer la nature de la réaction à chaque électrode. En déduire la localisation de l’anode et de la cathode.

Ecrire l’équation chimique de la réaction globale dans le sens direct d’évolution.

IV. Aspect quantitatif : électrolyse de l’eau en milieu basique

1. Expérience

Réaliser le montage en série comprenant : un générateur de tension continue réglable, un électrolyseur, un multimètre utilisé en mode ampèremètre, un interrupteur.

Introduire la solution de soude dans l'électrolyseur. (les électrodes doivent être largement couvertes)

Ajuster la tension aux bornes du générateur pour que l’intensité du courant soit égale à une valeur de l’ordre de 0,3 A.

Avec des gants remplir les tubes gradués avec de l'eau distillée et les retourner, sans bulles d'air, sur les électrodes.

Fixer les tubes gradués en les relevant légèrement au-dessus des électrodes.

Fermer l'interrupteur tout en déclenchant le chronomètre.

Relever la valeur de l'intensité du courant et la maintenir constante.

Arrêter l'électrolyse, lorsque le volume dégagé à une électrode est important.

Noter la durée totale de l'électrolyse.

Mesurer les valeurs des volumes dégagés à l'anode et à la cathode.

Identifier les gaz formés.

Relever la valeur de la température du laboratoire et de la pression atmosphérique.

2. Exploitation

Calculer le volume molaire des gaz parfaits à la température et à la pression du laboratoire

Indiquer sur le schéma la circulation de tous les porteurs de charge du circuit

Faire l’inventaire des espèces initialement présentes en solution.

Faire le bilan des espèces présentes susceptibles de réagir au niveau de chaque électrode, après migration des ions.

Donner l’expression de la quantité d’électricité qui a circulé pendant la durée t en fonction de l’intensité du courant

Etablir le tableau descriptif de l’évolution du système à l’anode

En déduire la quantité d’électrons qui a circulé pendant la durée de l’électrolyse .

Ecrire l’équation de la réaction associée à l’électrolyse. D’après les observations, dans quel sens l’évolution se produit-elle ?

Vérifier que le rapport des volumes dégagés est en accord avec le rapport des quantités de matière à l’état final.

Données :

Couples oxydant / réducteur : O _{2 ( g )} / HO ^–_(aq); H ₂O / H _{2 (g)}; Na ⁺_(aq)/ Na _(s)

Constante des gaz parfaits : R = 8,32 J.K ^{– 1}. mol ^{–
1}