TD 7 sur l'électrolyse - Poly-Prepas

Daniel Abécassis. Année universitaire 2009/2010Exercice 1.L’électrolyse de l’eau a pour équation :2H 2O(l)→ 2H2( g )+ O2(g )CHIMIETD VII. L’électrolyse.Dans un électrolyseur, on réalise l’électrolyse de l’eau en milieu acide. Chaque électrode est surmontéed’un tube à essais d’un volume de 15mL, rempli d’eau, destiné à récupérer le gaz. L’intensité du couranta pour valeur 0,92A et la tension entre les électrodes est 3,0V.1. Quel tube se remplit en premier ?2. La formation du dihydrogène est-elle observée à l’anode ou à la cathode ? Justifier votre réponseen écrivant l’équation de la réaction correspondante.3. Après combien de temps le premier tube sera-t-il rempli ? On suppose que le dioxygène et ledihydrogène sont insolubles dans l’eau.Exercice 2.Au laboratoire, on réalise l’électrolyse d’une solution de sulfate de cuivre avec deux électrodes decuivre. L’intensité du courant est constante pendant les 10 minutes que dure l’électrolyse et vaut 1,30A.La perte de masse de l’anode est de 0,27g1. Connaissant la valeur de la charge élémentaire, déterminer la valeur du nombre d’Avogadro.2. Quelles sont les sources d’erreurs ?Exercice 3Un accumulateur au plomb a une capacité de 133Ah. L’équation de réaction de décharge est :Pb + PbO++2−2(s)+ 4H+ 2SO4→ 2PbSO4(s)2H2O(l)1. Quelle masse minimale de plomb doit recouvrir les plaques négatives ?2. Quelle masse minimale de dioxyde de plomb doit recouvrir les plaques positives ?3. La concentration initiale en acide sulfurique est de 5,0 mol/L. Calculer la concentration en fin dedécharge sachant que le volume de la solution est de 2,5LExercice 4.On effectue l’électrolyse d’une solution de nitrate d’argent entre deux électrodes inattaquables. Al’anode, on observe un dépôt métallique et à la cathode, un dégagement gazeux.L’équation rendant compte de la transformation est :++4 Ag + 2H2O(l)→ 4Ag+ O2(aq)+ 4Hde constante d’équilibreK = 1.10Après quelques instants, on considère que le système chimique a pour propriétés :-Au voisinage de l’anode ; 5,0mL de gaz dissous par litre et pH=3,0−27

+-Au voisinage de la cathode :[ Ag ] = 0,10mol/ LMontrer que le système chimique subit une transformation forcée pendant la circulation du courant.On donne V m= 24L: molExercice 5.1. Pourquoi l’électrolyse de l’eau distillée est-elle impossible ?2. L’électrolyse d’une solution d’acide sulfurique, avec des électrodes non attaquables, est réalisée sousune tension de 3,0V. A chaque électrode se produit un dégagement gazeux. Le dégagement gazeux à lacathode est le plus important. On recueille un tube de chaque gaz et on procède aux tests suivants :-Un bûchette incandescente est introduite dans le tube de gaz recueilli à l’anode. La flamme se ravive.-A l’approche d’une bûchette allumée dans le tube de gaz recueilli à la cathode, une détonation seproduit.a. A l’aide des tests, identifier les gaz formés.b. Ecrire les équations de réactions aux électrodes.c. Ecrire l’équation de réaction de l’électrolyse.d. Pourquoi cette réaction s’appelle-t-elle électrolyse de l’eau ?3. Montrer que le volume de gaz recueilli à la cathode est théoriquement deux fois plus important quecelui recueilli à l’anode.4. Combien de temps peut durer une telle électrolyse ?5. On réalise, cette fois, l’électrolyse d’une solution d’acide chlorhydrique. La réaction à l’anode n’est pasla même que précédemment. Ecrire le bilan de cette électrolyse.Exercice 6.Le dichlore est principalement préparé par l’électrolyse de solution aqueuse de chlorure de sodium.L’oxydation des ions chlorures à l’anode fournit du dichlore.Une usine française utilise 68 cellules à membrane, montées en série, sous une intensité de170 000A. Chaque cellule comprend 26 membranes séparant autant de compartiments anodiques etcathodiques. La tension aux bornes de chaque cellule est 3,5V.1 Faire un schéma électrique du principe de l’installation en représentant le sens de circulation ducourant et les flèches des tensions.2. Calculer la durée de l’électrolyse nécessaire à la production de 1,0 tonne de dichlore dans cette usine.3.a. Estimer l’énergie électrique nécessaire au fonctionnement de l’unité d’électrolyse de chlorure desodium de cette usine pendant un an.b. Comparer à la consommation annuelle d’électricité d’un ménage :4000kW.hExercice 7.p+Un électrolyseur contient une solution aqueuse inconnue dont les cations ont pour formule M . Uncourant d’intensité I=1,50A circule pendant une durée t=20 minutes. Il se forme un métal gris à lacathode, de masse 0,61 g. Déterminer la nature du métal M .Exercice 8.Le nickelage sert à la décoration de pièces fines de fer, de laiton, etc. Au laboratoire, une plaquefine de laiton, de 10 cm de longueur et 2,0 cm de largeur sert de cathode. L’électrolyte utilisé est une

solution de sulfate de nickel (II) de concentration massique 200g/L, à laquelle on ajoute une solutiond’ammoniac jusqu’à re-dissolution complète de l’hydroxyde.La densité de courant est1. Préparation de l’électrolyte.j = 3,0 Adm−2. L’électrolyse dure 15 minutes.a. Ecrire l’équation de précipitation de l’hydroxyde de nickel.b. D’où proviennent les ions hydroxydes ? Justifier qualitativement et écrire l’équation de formation desions hydroxydes.c. Ecrire l’équation traduisant la transformation de l’hydroxyde de nickel en solution bleue, sachant que2+la coloration est due à l’ion Ni NH2. Electrolyse.( 3) 6( aq)a. Ecrire l’équation du nickelage et préciser à quelle électrode elle a lieu ;b. En supposant le dépôt homogène, déterminer son épaisseur.Donnée : masse volumique du nickel : 8,9.103kg . m−3Exercice 9.Une pile à combustible utilise les réactifs gazeux H2et O21. Ecrire les demi-équations de réactions d’oxydo-réduction relatives à chacune de ces espèces. Endéduire la réaction globale de fonctionnement de cette pile.2. Pourquoi n’est-il pas nécessaire dans une pile d’avoir initialement les quatre espèces intervenant dansles deux couples d’oxydo-réduction mis en jeu ?3. Quel type d’électrode doit-on utiliser pour une telle pile.4. Préciser la polarité de cette pile.5. Quelle quantité de chacun des gaz réactifs ( en nombre de moles, masse et volume à 298K et sous 1bar) est nécessaire au fonctionnement de la pile pendant une durée ∆t = 30mn.si elle délivre un courantd’intensité I=1,7A ?6.La fem est, dans ces conditions, de 0,5V. Combien de piles de ce type faut-il assembler en série pouratteindre une puissance de 5W.7. Le dihydrogène gazeux peut s’obtenir par reformage du méthanol. Ecrire l’équation de cettetransformation. Si l’on suppose que cette transformation est totale, quelles quantités ( en moles) deméthanol et d’eau sont nécessaires pour le fonctionnement décrit en 5.8.Le dioxygène, quant à lui, provient de l’air. Quel volume d’air est nécessaire au fonctionnement décriteen 5.9. En réalité, la réaction entre H2et O2est très lente. Pour l’accélérer, on dépose, par exemple, duplatine en surface des électrodes. Quel est son rôle ?Données : Le reformage permet de transformer un composé par action de l’eau en dihydrogène etdioxyde de carbone ( le tout en phase gazeuse).Les couples redox à considérer sont : H + / H2et O2 / H2OL’air est composé de 80% de diazote et de 20% de dioxygène.