AE : Transformations forcées, électrolyse
Contexte : L’eau est utilisée depuis longtemps pour produire de l’énergie, dans les usines marémotrices ou hydrauliques. Elle est actuellement au centre de nombreuses recherches dont l’objectif est de permettre aux hommes de répondre aux défis environnementaux du XXIe siècle que sont la diminution de l’utilisation des ressources en énergies fossiles et la réduction de la pollution atmosphérique.
En effet, l’eau constitue la base de la plupart des méthodes de production d’un gaz très en vue actuellement : le dihydrogène. L’hydrogène est une piste d’avenir sérieuse pour le transport et le stockage des énergies intermittentes, comme le solaire et l’éolien, à condition de parvenir à le produire à moindre coût.
I- Travail préliminaire : transformation spontanée et transformation forcée.
1- Transformations spontanée
On s'intéresse au système formé par les couples ox/red (Cu2+/Cu) et (Zn2+/Zn) Cu2+(aq) +Zn(s) =Zn2+(aq) +Cu(s)
La constante d’équilibre K associée à cette réaction est égale à 4,0.1036
Expérience 1 Expérience 2
1. D'après la constante d'équilibre expliquer comment vont évoluer les deux expériences ?
2. Réaliser ces deux expériences et notez vos observations. Sont elles conformes aux prévisions de la question précédente ?
3. Dans le cas de l'expérience 1 le quotient de la réaction à l'état initial Qr,i était-il inférieur, égal ou supérieur à la constante K ?
4. Dans le cas de l'expérience 2 le quotient de la réaction à l'état initial Qr,i était-il inférieur, égal ou supérieur à la constante K ?
2- Transformations forcées ; Electrolyse
• Décaper les plaques de zinc et de cuivre à l'aide de papier de verre.
• Réaliser le montage ci contre et le faire
vérifier avant d'allumer le générateur .
• Régler l'intensité sur 1,0A.
• Faire fonctionner le dispositif pendant 2 min environ et observer attentivement les transformations sur les lames métalliques et dans la solution.
1. Complétez vos observations en les faisant apparaître sur le schéma ci-contre.
2. Indiquez sur le schéma le sens du courant imposé par le générateur et le sens de déplacement des électrons libres dans les parties métalliques du circuit.
3. Ecrire la demi-équation associée à la lame de cuivre. 4. Ecrire la demi-équation associée à la lame de zinc. 5. Placez sur le schéma l'anode et la cathode
6. Ce système évolue-t-il de manière spontanée ? Quelle est l'utilité du générateur ?
Conclusion :
• Une électrolyse est une transformation forcée, imposée par le générateur de courant à un système chimique. Le système chimique évolue dans le sens inverse de son évolution spontanée.
• Le système chimique s'éloigne de l'état d'équilibre (Qr,eq = K). Le quotient de la réaction s'éloigne de la constante d'équilibre.
II- Electrolyse d'une solution aqueuse d'acide sulfurique
Doc 1 :L’électrolyse
Lorsqu’un générateur est nécessaire pour qu’une réaction d’oxydoréduction ait lieu, il s’agit d’une
électrolyse.
L’électrolyse est une transformation forcée : le générateur apporte l’énergie nécessaire pour que la réaction ait lieu. Il impose le sens de circulation du courant et des électrons, et donc les lieux de l’oxydation et de la réduction.
L’électrode où a lieu l’oxydation est appelée anode. Celle où se produit la réduction est la cathode.
Doc 2 :Tests d’identification
Au contact de la flamme d’une allumette, le dihydrogène produit une petite explosion au bruit caractéristique ; on dit que le dihydrogène « aboie ». Le dioxygène ravive la flamme d’une buchette incandescente.
Doc 3 : Couples oxydant/réducteur
O2(g) / H2O(l) SO42-(aq) / SO2(aq) H+(aq) / H2(g) S2O82-(aq) / SO42-(aq)
1- Manipulation
• Mettre des gants et des lunettes et réaliser le montage ci-contre.
• Verser de l'eau distillée dans l'électrolyseur de manière à recouvrir de 2cm les électrodes Verser avec une éprouvette 70 mL d'acide sulfurique concentré dans l'électrolyseur.
• Remplir les tubes gradués d'eau distillée, les retourner sur les électrodes et les maintenir à 2-3 mm du fond à laide des pinces.
• Réaliser les branchements, générateur éteint.
• Allumer le générateur et régler la tension à E ≈ 4,5V, fixer rapidement l'intensité du courant à I=250mA et déclancher le chronomètre.
• Faire fonctionner le dispositif pendant ∆t=5 min puis arrêter le générateur.
• Noter vos observations.
• Mesurer les volumes de gaz dégagés aux électrodes 1 et 2 au bout de la durée ∆t. • Volume de gaz V1 = mL
• Volume de gaz V2 = mL
• Faire fonctionner de nouveau l'électrolyseur pour finir de remplir le tube de gaz de l'électrode 2.
Données :
L'électrolyseur est constitué de deux électrodes de platine inattaquables. Constante des gaz parfaits : R=8,31 SI
Constante de Faraday 1F = NA x e =96500 C.mol-1 2- Interprétation des résultats
1. Indiquer sur le schéma le sens du courant et le sens des électrons. En déduire les électrodes correspondant à l'anode et à la cathode.
2. Faire l'inventaire des espèces chimiques présentes dans l'électrolyseur sachant que l'acide sulfurique H2SO4 est un acide totalement dissocié dans l'eau.
3. Ecrire les demi-équations susceptibles de se produire à l'anode. Ecrire les demi-équations susceptibles de se produire à la cathode. Quelles sont les observations faites ?
4. Quel est le gaz formé à l'anode ?
5. Identifier le gaz formé à la cathode en proposant une expérience simple. La mettre en oeuvre après accord.
6. Ecrire les demi-équations qui se produisent réellement aux deux électrodes. Ecrire l'équation de la réaction qui modélise le fonctionnement de l'électrolyse. 7. A l'aide d'un tableau d'avancement, montrer que V(H2)=2V(O2).
8. Evaluer grâce à I et ∆t, la quantité d'électricité Q mise en jeu. En déduire la quantité de matière d'électrons n(e-) ayant été échangés lors de l'électrolyse.
9. A partir de l'équation de l'électrolyse, exprimez la quantité de matière d'électrons échangés en fonction de la quantité de matière de dihydrogène.
10. Exprimer le volume de gaz V(H2) théorique . Ce volume correspond-t-il à celui mesuré lors de la manipulation ? Proposer une explication à cet écart.
11. Incertitude statistique (type B) sur le volume de dihydrogène mesuré par les 12 binômes de la classe avec GUM.