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Thème : Constitution et transformation de la matière TP n°25Chimie Applications de l’électrolyse
Chap.9
I. Comment produire du dioxygène dans la station spatiale internationale (ISS) ?
Les occupants de la station spatiale internationale (ISS) ont besoin de dioxygène pour survivre. Une personne respire en moyenne 2 m3 de dioxygène par jour. Il donc un système (l’Oxygen Génération System, OGS) qui permet de n’est pas envisageable d’apporter régulièrement des bouteilles de dioxygène dans l’espace. L’ISS possède produire le dioxygène sur place.
Document 1 : Montage expérimental
Document 2 : Protocole expérimental
Dans un électrolyseur, introduire une solution de sulfate de sodium (2 Na+(aq) + SO42-
(aq)) de concentration C = 1,0 10-1 mol.L-1 jusqu’à recouvrir de 2 cm environ les électrodes. Ce soluté assure la conductivité de la solution, mais n’intervient pas dans le bilan chimique de l’électrolyse.
Placer deux tubes à essais dont on aura mesuré au préalable la hauteur h et le diamètre d. Remplir les tubes à essais de solution de sulfate de sodium, retournées sur les électrodes. Attention, il ne doit pas y avoir de bulles d’air.
Brancher l’électrolyseur aux bornes d’un générateur de courant. L’intensité I du courant sera indiquée par le générateur du montage. Le générateur n’est pas en court-circuit car l’électrolyseur a une résistance non nulle.
Allumer le générateur et déclencher le chronomètre en même temps en imposant un courant I proche de 0,6 A.
Ajuster cette intensité au cours de l’expérience pour avoir une intensité constante.
Eteindre le générateur lorsque l’une des deux tubes à essais ne possède plus d’eau. Mesurer alors la hauteur de gaz dans l’autre tube à essais.
Noter la durée t de l’électrolyse et l’intensité moyenne I au cours de l’électrolyse. Rallumer le générateur pour vider l’autre tube à essais.
Document 3 : Tests de mise ne évidence sur deux espèces
Quand on plonge une bûchette incandescente dans le dioxygène, la flamme se ravive.
Quand on approche une flamme d’une éprouvette contenant du dihydrogène, on entend une détonation (aboiement).
Document 4 : Caractéristiques de l’Oxygen Génération System (OGS)
L’OGS est constitué de plusieurs cellules d’électrolyse de l’eau, équitablement réparties dans toute la station spatiale internationale.
Chaque cellule fonctionne en utilisant un courant d’intensité I = 50 A.
Document 5 : Données
Couples oxydant/réducteur : H+ (aq)/H2(g) et O2(g) / H2O (ℓ)
Q = I t avec Q quantité d’électricité en coulomb (C) ; I intensité du courant en ampère (A) ; t durée de l’électrolyse en seconde (s).
Q = n(e-) F avec n(e-) quantité d’électrons captée par l’oxydant (ou cédée par le réducteur) ; F constante de Faraday qui représente la charge d’une mole d’électrons (en valeur absolue) ; 1 F = 96 500 C.mol-1
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Tube à essais 1 Tube à essais 2
Protocole expérimental (Réaliser)
1) Par une méthode de votre choix, déterminer le volume V d’un tube à essais.
2) Sans allumer le générateur, Réaliser le montage expérimental et réaliser le protocole jusqu’au inclus.
Faire vérifier votre montage par le professeur avant de terminer le protocole.
3) Noter les valeurs de I et t.
Analyser l’expérience (Analyser – Réaliser)
4) Sur le schéma du document 1, indiquer le sens conventionnel du courant et celui de circulation des électrons 5) Identifier l’anode et la cathode puis en déduire la demi-équation électronique de la réaction se produisant à chaque
électrode.
6) Ecrire l’équation de la réaction modélisant la transformation chimique réalisée dans l’électrolyseur. Montrer qu’elle est en accord avec les volumes de gaz recueillis à l’étape du protocole expérimental.
7) Identifier le gaz présent dans chaque tube à essais pour confirmer la réponse à la question précédente. (Réaliser)
Appeler le professeur pour qu’il vérifie vos réponses.
Exploiter les résultats (Valider)
8) En utilisant les relations données dans le document 5 et les demi-équations électroniques, calculer la quantité de matière de gaz attendue à chaque électrode.
9) Comparer ces résultats aux quantités de matière obtenues expérimentalement sachant qu’à 20 °C et à 1013 hPa le volume molaire d’un gaz est VM = 24,0 L.mol-1.
Résoudre un problème (Raisonner)
10) Sachant qu’une personne respire 0,91 kg de dioxygène par jour, calculer le nombre minimal de cellules nécessaire pour subvenir aux besoins en dioxygène de l’équipage de 6 astronautes. Donnée : M(O2(g)) = 32,0 g.mol-1
II. Galvanisation d’une pièce métallique
Le fer est un métal peu coûteux qui est très utilisé dans la construction, l’outillage ou les boîtes de conserve. Très sensible à l’oxydation par le dioxygène, il est nécessaire de le protéger.
Une des méthodes de protection consiste à le recouvrir d’une couche de zinc au cours d’une opération appelée galvanisation.
Montage expérimental : Voir ci-contre Protocole expérimental (Réaliser)
Dans un bécher, introduire environ 200 mL d’une solution de sulfate de zinc (Zn2+(aq) + SO42-
(aq)) de concentration de 1,0 10-1 mol.L-1
Peser une lame de fer et une lame de zinc après les avoir décapées. Placer les deux lames dans la solution en mesurant la hauteur immergée. Relier les électrodes à un générateur de courant en respectant les polarités.
Allumer le générateur et déclencher le chronomètre au même moment.
Réaliser une électrolyse pendant 20 minutes en imposant un courant d’intensité constante I proche de 0,6 A.
Noter la durée exacte t de l’électrolyse et celle de l’intensité moyenne I du courant.
Après avoir séché les électrodes au sèche-cheveux une fois l’électrolyse terminée, peser les plaques.
Analyser l’expérience (Analyser – Réaliser) 1) Réaliser le protocole expérimental.
2) Sur le schéma de l’électrolyseur, indiquer le sens de circulation des électrons puis en déduire la demi-équation électronique se produisant à chaque électrode.
Exploiter les résultats (Valider)
11) Calculer et comparer la variation de masse de chaque lame.
En observant le bécher, expliquer la différence de variation de masse.
12) En utilisant la durée de l’électrolyse et l’intensité du courant, retrouver la masse de zinc déposée sur la lame de fer.
Donnée : M(Zn) = 65,4 g.mol-1
Appeler le professeur pour qu’il vérifie vos réponses.
Résoudre un problème (Raisonner)
13) A partir de la masse de zinc déposé sur la lame de fer et des données nécessaires, évaluer l’épaisseur e (en cm puis en µm) de la couche de zinc déposée sur la lame de fer. Donnée : (Zn) = 7,13 g.cm-3
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