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Exercices P7 : Electrochimie
Exercice 1 (Bac 2003)
Couple : Cr3+/Cr
Remarque : le résultat du 2 est complètement incohérent d’un point de vue énergétique Exercice 2 :
M(Cu) = 63,5 g.mol-1 ; M(Zn) = 65,4 g.mol-1
On considère une pile Danielle Zn|Zn2+||Cu2+|Cu constituée d’une électrode en cuivre trempant dans une solution de sulfate de cuivre et d’une électrode en zinc trempant dans une solution de sulfate de zinc. Les deux demi-piles sont reliées entre elles par un pont salin.
1. Faire le schéma de la pile.
2. Quel est le rôle du pont salin ?
3. Le couple Cu2+/Cu est le pole + de la pile. En déduire le sens du courant puis le sens des électrons.
Préciser la cathode et l’anode.
4. On fait débiter la pile pendant 1h un courant de 100 mA.
4.1. Quelle la charge électrique échangée ? 4.2. En déduire le nombre d’électrons échangés.
4.3. Quelle masse de cuivre s’est formée au cours des 1 h de fonctionnement ? 4.4. Quelle masse de zinc a disparue au cours des 1 h de fonctionnement ?
P7, Exercices : L’électrochimie Page 2 Correction Exercice 1 :
1.1 La flèche indique le sens du courant. ( Le courant i sort du pole + de la pile ) Les électrons vont en sens inverse (et uniquement dans les fils électriques) Pour un électrolyseur le pole + est l’anode et le pole – la cathode.
1.2 Les électrons sont formés à l’anode (+) et disparaissent à la cathode (-). Donc à l’électrode négative les électrons sont à gauche de l’équation : Cr3+ + 3 e- = Cr
Cr est un produit de la réaction, on observe donc la formation de chrome solide qui va se déposer sur la jante.
1.3 Quantité d’électricité mise en jeu 𝑄 = 𝐼 × ∆𝑡 = 20 × 103× 30 = 6,0 105 C
1.4 D’après la demi équation électronique Cr3+ + 3 e- = Cr, pour 3 électrons échangés 1 chrome est formé donc 𝑛é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑠 é𝑐𝑎𝑛𝑔 é𝑠
3 = 𝑛𝑐𝑟𝑜𝑚𝑒 𝑓𝑜𝑟𝑚 é . Or 𝑛é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑠 é𝑐𝑎𝑛𝑔 é𝑠 =𝑄
𝔉=6,0 105
96500 = 6,21 𝑚𝑜𝑙 Donc 𝑛𝑐𝑟𝑜𝑚𝑒 𝑓𝑜𝑟𝑚 é= 6,21
3 = 2,07 𝑚𝑜𝑙 et par conséquent la masse de chrome formée est 𝑚𝑐𝑟𝑜𝑚𝑒 𝑓𝑜𝑟𝑚 é = 𝑛𝑐𝑟𝑜𝑚𝑒 𝑓𝑜𝑟𝑚 é× 𝑀𝐶𝑟 = 2,07 × 52 = 108 𝑔
2
2.1 L’énergie électrique reçue par l’électrolyseur est 𝐸é𝑙𝑒𝑐 = 𝑈 × 𝐼 × ∆𝑡 = 2,2 × 20 × 103× 30 = 1,32. 106 𝐽 2.2 L’énergie thermique est produite par effet Joule : 𝐸𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 = 𝑟 × 𝐼2× ∆𝑡 = 1,2 × 10−2× 20 × 103 2× 30 =
1,44. 108 𝐽
Il est aberrant de trouver une énergie thermique plus grande que l’énergie reçue. Les valeurs fournies par l’énoncé sont fantaisistes
Correction Exercice 2 : 1.
2. Le pont salin permet le passage des ions.
3. Le courant sort du pole + de la pile et rentre par le pole -, tandis que les électrons vont en sens inverse.
Pour une pile la cathode est le pole + (et l’anode le pole -) 4.
4.1. La charge électrique échangée en 1h est 𝑄 = 𝐼 × ∆𝑡 = 0,100 × 1 × 60 × 60 = 360 𝐶 4.2. La quantité de matière d’électrons échangés est 𝑛é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑠 =𝑄
𝔉= 360
96500 = 3,73 10−3 𝑚𝑜𝑙. Le nombre d’électrons échangés est 𝑁é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑠 = 𝑛é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑠 × 𝑁𝐴 où 𝑁𝐴 est le nombre d’Avogadro donc 𝑁é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑠 = 3,73 10−3× 6,02 1023 = 2,25 . 1021
4.3. Au pole + de la pile la demi équation électronique est : Cu2+ + 2 e- = Cu. Pour 2 électrons échangés on forme 1 atome de cuivre. Donc 𝑛𝐶𝑢 𝑓𝑜𝑟𝑚 é =𝑛é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛2 =3,73 102 −3= 1,87 10−3 𝑚𝑜𝑙
La masse de cuivre formé est donc 𝑚 = 𝑀 × 𝑛 = 63,5 × 1,87 10−3= 0,118 𝑔
4.4. Au pole - de la pile la demi équation électronique est : Zn = 2 e- + Zn2+. Pour 2 électrons échangés on fait disparaitre 1 atome de zinc. Donc 𝑛𝑍𝑛 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑎𝑟𝑢 =𝑛é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛
2 =3,73 10−3
2 = 1,87 10−3 𝑚𝑜𝑙 La masse de zinc disparu est donc 𝑚 = 𝑀 × 𝑛 = 65,4 × 1,87 10−3 = 0,122 𝑔
