quelques électrolyses lycée

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électrolyse

ensemble des phénomènes accompagnant le passage du courant en solution.

réaction redox non naturelle nécessitant un apport d'énergie sous forme d'énergie électrique

électrolyse

La connaissance des potentiels redox ne permet pas, à elle seule de prévoir les réactions qui se produisent sur les électrodes.


La tension aux bornes de la cuve à électrolyse est de quelques volts par contre l'intensité du courant peut atteindre 100 000 ampères

à l'anode positive

on observe l'oxydation soit

du métal de l'électrode,

de l'eau,

des ions négatifs 

à la cathode négative

on observe la réduction soit

des molécules d'eau,

des ions positifs.

Qté d'électricité (C ou Ah=3600 C) égale à l'intensité (A) fois la durée de fonctionnement (s)

L'énergie ( J) mise en jeu est égale à la tension (V) aux bornes de la pile fois la Qté d'électricité (C)

La charge d'une mole d'électrons est 96500 C

 


exercice 1

électrolyse d'une saumure préparation Cl2

Une saumure est une solution concentrée de chlorure de sodium. Les électrodes sont inattaquables. A l'anode les ions chlorures s'oxydent en dichlore Cl2. A la cathode l'eau est réduite en dihydrogène.

H=1; O=16 ;Na=23 ; Cl=35,5 g mol-1. volume molaire 30 L mol-1.

  1. Ecrire les réactions aux électrodes puis la réaction de fonctionnement.
  2. Quelle est la quantité d'électricité mise en jeu si I=50000 A et t=1 heure?
  3. Quelles sont les masses et volumes des gaz ?
  4. Quelle est l'énergie consommée par tonne de dichlore formé ? (U=4 V)
    corrigé
 

 

à l'anode oxydation des ions chlorures

2 Cl- donne Cl2 + 2e-

à la cathode réduction de l'eau

2 H2O + 2e- donne H2 + 2HO-

Danger !!! dans le bilan les électrons n'apparaissent pas

2 H2O +2 Cl- donne Cl2 + H2 +2HO-

Quantité d'électricité mise en jeu

intensité en ampère fois temps en seconde

5 104*3600=1,8 108C =5 104 Ah


masses et volumes des gaz

la charge d'une mole d'électrons est égale à 96500 C.

Donc 1,8 108 C correspondent à 1,8 108 / 96500 =1865,2 mol d'électrons

Qté de matière de dichlore ou de dihydrogène 1865,2 /2 = 932,6 mol

masse de dichlore: 932,6*71=66,2 kg

masse de dihydrogène: 932,6* 2= 1,86 kg

volume H2 ou Cl2 : 932,6* 30=28 m3


énergie consommée par tonne de dichlore

Qté matière dichlore dans 1 tonne =106 / 71=14084 mol Cl2

Qté de matière d'électrons=14084 * 2==28169 mol électrons

Qté électricité : 28169 *96500 = 2,72 10 9 C

énergie consommée(J) :Qté électricité (C) fois tension (V)

2,72 10 9 * 4 =1,08 10 7 kJ= 3020 kWh


d'autre données I=40000A; U=3,5 V

réponses: 1,44 10 8 C ;746 mol H2 ; 22,4 m3 ;

 




exercice 2

nickelage dépot de nickel sur un autre métal

Cu2+ / Cu 0,34 V et Ni2+ / Ni -0,23 V

Ni=58,7 g mol-1. masse volumique du nickel 8900 kg m-3

  1. Peut on obtenir un dépot de nickel sur le cuivre par simple trempage dans une solution de sulfate de nickel ?
  2. On procède par électrolyse. Décrire le dispositif.
  3. L'aire de l'objet à nickeler est S=400 cm2. l'épaisseur du dépot est e=20 microns. Quelle est la masse de nickel nécessaire ?
  4. Quelle est la quantiité de matière d'électrons ?
  5. Quelle est la durée du nickelage si I=2 A ?

corrigé
Une réaction naturelle a lieu entre le réducteur le plus fort Ni et l'oxydant le plus fort Cu2+

En plongeant une lame de cuivre dans une solution contenant des ions Ni2+ on observe pas de dépot de nickel.

couples en présence:

Cu2+ / Cu

Ni2+ / Ni

 

En procédant par électrolyse:

solution de sulfate de nickel ; l'objet sert de cathode négative;

Ni2+ + 2e- donne Ni

l'anode est en nickel


volume de l'objet

surface (m2) fois épaisseur (m) :4 10-2* 20 10-6= 8 10-7 m3

masse de nickel: 810-7 * 8900=7,12 g


durée du nickelege

Qté de matière de nickel =7,12 / 58,7 =0,121 mol

Qté de matière d 'électrons : 0,12 *2=0,242 mol

Qté d'électricité = 96500*0,242=23410 C

durée (s) = Qté électricité (C) / intensité (A) =23410 / 2 =3 h 15 min


d'autre données aire=6 dm 2; e=10 microns ; I=4A

réponses: 0,182 mol électrons;5,34 g nickel ;1 h 13 min

 


exercice 3

préparation du manganèse

Electrolyse d'une solution de sulfate de manganèse, acidifiée par l'acide sulfurique

Mn=54,9 g mol-1.

  1. Ecrire les réactions de réduction à la cathode, sachant que l'ion Mn2+ et les ions hydronium se réduisent.
  2. Quelle est la quantité d'électricité mise en jeu chaque jour si I=40000A?
  3. Quelle est la masse maximale de manganèse obtenue par jour ?
  4. A la cathode on observe également un dégagement de H2 et la masse de manganèse produite chaque jour n'est que m=700 kg. Quelle est la masse de dihydrogène formé chaque jour ?
  5. Quelle est la consommation d'énergie chaque jour si U=5V.
    corrigé
 

2 H3O+ +2 e- donne 2 H2O + H2

Mn2+ + 2 e- donne Mn

Quantité d'électricité mise en jeu

intensité (A) fois durée (s)= 40000 *24*3600= 3,456 109C


masse de manganèse

la charge d'une mole d'électrons est égale à 96500 C.

Donc 3,456 109C correspondent à 3,456 109 / 96500 =35813 mol d'électrons

Qté de matière de manganèse : 35813 /2 = 17907 mol

masse de manganèse: 17907*54,9=983 kg


masse de dihydrogène

Qté de matière de manganèse : 700*1000 /54,9= 12750 mol

Qté de matière d'électrons mise en jeu

lors de la réduction de Mn2+ : 12750 *2 =25500 mol

lors de la réduction de H3O+ :35813-25500=10313 mol

Qté de matière de dihydrogéne: 10813/2=5156 mol

masse de dihydrogène : 5156*2=10,3 kg


énergie

capacité (C) fois tension aux bornes (V)=3,456 109*5=1,728 1010 joules=4800 kWh

1 kWh=3600*1000 J


d'autre données 50 000 A; 3,5 V ; m =650 kg

réponses: 4,3 109 C ; 1229 kg Mn ; 20,8 kg H2 ; 5375 kWh

 


exercice 4

électrolyse de l'alumine

La bauxite contient environ 55 % en masse d'alumine Al2O3 . A 950°C l'électrolyse de l'alumine fondue (électrodes en carbone) donne:

à l'anode : O2- donne 0,5 O2 + 2 e- et à la cathode : Al3+ + 3e- donne Al.

Al=27; H=1 O=16 ; Cl=35,5 g mol-1. volume molaire=100 L mol-1

  1. Ecrire l'équation bilan de l'électrolyse.
  2. Quel est le volume de dioxygène par mole d'aluminium produit ?
  3. Quelle est la masse de bauxite à extraire pour produire 1 tonne d'aluminium?
  4. Quelle est l'énergie consommée par tonne d'aluminium produite si U=4,5 V ?
    corrigé
 

3fois { O2- donne 0,5 O2 + 2 e- }

2fois {Al3+ + 3e- donne Al }

Danger !!! dans le bilan les électrons n'apparaissent pas

3 O2- + 2 Al3+ donne 2 Al + 1,5 O2

volume de dioxygène

à une mole d'aluminium correspond 0,75 mol de dioxygène

volume du gaz 0,75*100=75 L


masses de bauxite

Qté de matière d'aluminium : 106 / 27 =37037 mol

Qté de matière d'alumine :37037 / 2== 18518 mol

masse d'alumine Al2O3 :18518*(27*2+16*3)=1,88 tonnes

alumine (t)
bauxite (t)
55
100
1,88
x

masse de bauxite : 1,88 / 0,55 =3,43 tonnes


énergie (J) et capacité (coulomb)

à 37037 mol aluminium correspondent 37 037*3=1,11 105 mol électrons

la charge d'une mole d'électrons est égale à 96500 C.

Qté d'électricité : 1,11 105*96500 =1,07 1010 C

1 wattheure = 3600 J

énergie (J) = Qté électricité (C) fois tension(V)

1,07 10 10* 4,5 = 4,82 10 10 J = 13400 kWh

 


exercice 5

argenture ou dorure

On souhaite argenter extérieurement un seau à champagne de surface S=1380 cm2 par un dépot uniforme d'épaisseur e=60 microns .

masse volumique de l'argent 10500 kg m-3 ; de l'or 19300 kg m-3 Ag=108 ; Au = 197 g mol-1 ;

  1. Comment faut il procéder (brève description)
  2. Quel le réaction se produit à la cathode ?
  3. Quelle est la masse d'argent à déposer?
  4. Quelle est la durée de l'électrolyse?

corrigé
le seau est immergé dans une solution contenant des ions argent Ag+.

le seau est reliè à la borne négative du générateur

à la cathode les ions Ag+ ou Au3+ se réduisent

Ag+ + e- donne Ag

Au3+ + 3e- donne Au

masse de métal

volume = surface(m2) * épaisseur(m)=1380 10-4*60 10-6=8,28 10-6 m3

masse (kg)=volume(m3) fois masse volumique (kgm-3)

8,28 10-6 *10500=86,9 g


durée de l'électrolyse

Qté de matière d'argent : 86,9 / 108 = 0,805 mol

Qté de matière d'électrons : 0,805 mol

la charge d'une mole d'électrons est égale à 96500 C.

Qté d'électricité : 0,805* 96500 =77682 C

Qté d'électricité (C) =intensité(A) fois durée (s)

durée = 77682 / 2 =38841 s = 10 h 47 min


mêmes questions qans le cas d'une dorure e = 20 microns;

réponses: 53,26 g ;0,81 mol électrons; 10 h 52 min


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