Physiks & Chimie

Chimie D.S. n°7

Exercice : Pourquoi cuisiner dans des casseroles en cuivre ? d’après bac Polynésie 2009 (20 points) Partie A : Étamage d’une casserole

1. On considère le schéma du montage représenté en annexe à rendre avec la copie.

1.1.

(1).

1.2. L’électrolyse est une transformation forcée : Le générateur impose le sens du courant électrique (et donc des porteurs de charge) en sens inverse du sens spontané. Le générateur apporte l’énergie nécessaire pour que la transformation non spontanée puisse s’effectuer (1).

Rem. : erreur rencontrée : une transformation spontanée n’est nécessairement une transformation rapide. « spontanée » signifie qui se fait d’elle-même, sans intervention extérieure. Cela ne préjuge pas de la cinétique de la réaction. Il existe des transformations spontanées rapides, d’autres lentes. Il existe des transformations forcées lentes, d’autres plus rapides !

2. On étudie les réactions aux électrodes en considérant que le solvant n’intervient pas.

2.1. A l’électrode A, arrivent des électrons. Ces derniers sont alors nécessairement consommés suivant une équation du type : Ox + n e^– = Red. C’est une réduCtion (1), l’éctrode A est donc une Cathode (0,5), et par conséquent l’électrode B est une Anode : elle est le siège d’une réaction d’oxydAtion (0,5).

2.2. A la surface de l’élecrode A, la réaction ayant lieu étant une réduction ne peut être que la réaction d’équation : Sn²⁺(aq) + 2 e^– = Sn(s) (0,5).

On observe donc un dépôt solide d’étain, en surface de l’électrode A (0,5).

Le récipient à recouvrir doit donc constituer l’électrode A : c’est le cuivre (0,5).

Rem. : erreur fréquemment rencontrée : Cu²⁺(aq) + 2 e^– = Cu(s). Cette demi-équation n’est pas envisageable, puisqu’elle ne témoigne pas d’un dépôt d’étain sur le cuivre, d’une part et que, d’autre part, les ions cuivre ne sont pas présents initialement : la solution ne contient que des ions étain et des ions sulfate, comme le signale l’énoncé…

2.3. L’électrode (B) est l’électrode d’étain. L’équation de la réaction d’oxydation qui s’y produit est donc : Sn_(s) = Sn²⁺_(aq) + 2e^– (0,5). Il s’agit d’une électrolyse à anode soluble !

2.4. L’équation de la réaction globale de cette électrolyse est : Sn(s)anode + Sn²⁺_(aq) = Sn_(s)cathode + Sn²⁺_(aq) La concentration en ions étain Sn²⁺(aq) dans la solution au cours de la réaction reste constante (1).

3.

3.1. Expression de la quantité d’électricité Q qui a traversé le circuit lors de l’électrolyse : Q = I.t (0,5).

3.2. D’après l’équation de la réaction à la cathode : Sn²⁺(aq) + 2 e^– = Sn_(s), la quantité de matière d’étain déposé est : n(Sn) = n(e^–)

2 (1).

3.3. Relation entre la quantité d’électricité Q et la quantité d’électrons n(e^–) échangés : Q = n(e^–).F (0,5).

3.4. D’après la question 3.2. : n(e^–) = 2.n(Sn) = 2.mSn

MSn,

D’après les questions 3.1. et 3.3. : I.t = n(e^–).F, donc t = ne^–.F

I = .mSn.F I.MSn (1).

4.

A

– +

électrode A Cathode (Cu)

électrode B Anode (Sn) e^– I

cations anions

4.1. V = (^

 + 2157,0)20.10^–4 = 2,0 cm³. Le volume d’étain a déposé est de 2,0 cm³ (1,5).

Rem. : Il est judicieux de calculer le volume en cm³ puisque  est exprimée en g par cm³. Par conséquent il faut exprimer l’épaisseur en cm : 20 m = 20.10^–6 m = 20.10^–4.(10^–2 m) = 20.10^–4 cm 4.2. La masse d’étain nécessaire est : m(Sn) = .V. A.N. : m(Sn) = 7,302,0 = 15 g (14,6) (1)

4.3. t = 159,65.10⁴

0,250119 = 97.10³ s (0,5) soit 97.10³

3600 = 27 h (1). 1 h = 3600 s, donc 1 s = 1 3600 h.

PARTIE B : Pourquoi ne pas utiliser un autre métal ?

1. On donne la demi-équation électronique associée au premier couple :

2 Fe_(s) + 4 H₂O_(l) = (Fe₂O₃,H₂O)_(s) + 6 H⁺ + 6 e^– 1.1. O2(g) + 4e^– + 4H⁺(aq) = 2H2O(l) (1)

1.2. La première demi-équation doit avoir lieu 2 fois lorsque la seconde a lieu trois fois pour que les électrons échangés n’apparaissent pas : 4 Fe(s) + 2 H₂O_(l) + 3 O_2(g) = 2 (Fe₂O₃,H₂O)_(s) (1)

1.3.

L’électrode d’étain est disposée au centre de la boite de conserve sans la toucher.

Cette électrode libère des ions Sn²⁺ qui vont être réduits en étain métallique sur la face interne de la boite de conserve, reliée à la borne négative (1).

2. L’aluminium est aussi utilisable en cuisine, mais il est très réactif vis-à-vis des acides et des bases.

2.1. Un acide selon Brønsted est une espèce chimique capable de céder un proton H⁺ au cours d’une transformation acido-basique (0,5).

2.2. HA(aq) + H2O(l) = A^–(aq) + H3O⁺ (1).

2.3. [H3O⁺(aq)] = 10^–pH = 10^–3,0 = 1,0.10^–3 mol.L^–1 (1).

2.4. D’après le texte de l’énoncé, l’aluminium est très réactif vis-à-vis des acides ou des bases. Par conséquent le lait est presque neutre, mais le jus d’orange est acide (pH = 3,0). L’aluminium est donc théoriquement moins recommandé pour le jus d’orange (0,5).

boite de

conserve remplie d’une solution de sulfate d’étain

étain pur – +

A