La purification des métaux par électrolyse est possible grâce à l'emploi d'une anode soluble. Le métal impur constitue l'anode : ce métal subit une oxydation et passe à l'état d'ion en solution. Les impuretés libérées tombent au fond de l'électrolyseur ou restent en suspension dans la solution.

A la cathode les ions cuivre II en solution subissent une réduction, le métal très pur se dépose. La solution électrolytique contient des ions cuivre II Cu²⁺(aq), des ions sulfate et de l'acide sulfurique.

Partie 1 :

1. Compléter le schéma ci-dessous en indiquant le sens du courant, le sens de déplacement des électrons, des ions positifs ( cations) des ions négatifs ( anions), l'anode et la cathode.
2. La transformation qui se produit lors d'une électrolyse est-elle une réaction d'oxydoréduction spontanée ou forcée ? Justifier.
3. Ecrire les équations des transformations qui se déroulent aux éléectrodes.
4. En déduire l'équation de la réaction d'oxydoréduction qui se déroule dans l'électrolyseur.
5. Pourquoi qualifie-t-on cette électrolyse d'électrolyse " à anode soluble " ?
6. La concentration en ion cuivre II de la solution électrolytique varie-t-elle au cours du temps ? Justifier.
7. En fonction du pH de la solution dans laquelle il se trouve, l'élément cuivre en solution peut exister sous deux formes : Cu²⁺(aq) et Cu(OH)₂ (s). On donne ci-dessous le diagramme de prédominance de l'ion cuivre II.

   Expliquer qualitativement pourquoi on ajoute de l'acide sulfurique dans la solution électrolytique ?

Partie 2 :

A l'aide du montage décrit dans la patie 1, on désire déposer par électrolyse une couche de cuivre sur une plaque d'acier. Lors de l'éectrolyse d'une durée Dt= 30,0 min, l'intensité du courant est constante et vaut I= 400 mA. M(Cu) = 63,5 g/mol ; N_A=6,02 10²³ mol^-1 ; e= 1,60 10^-19 C.

1. La plaque d'acier doit-elle jouer le rôle de cathode ou d'anode ?
2. Exprimer la quantité d'électricité Q qui a traversé le circuit pendant l'électrolyse en fonction de I et Dt.
3. Exprimer Q en fonction de n_e ( quantité de matière d'électrons transférés au cours de l'électrolyse), N_A et e.
4. Exprimer n_e en fonction de n_Cu ( quantité de matière de cuivre formé).
5. En déduire l'expression littérale de n_Cu, de m_Cu, masse de cuivre formé. Calculer m_Cu.
6. On observe en réalité lors de cette électrolyse une variation de masse de la lame de cuivre |Dm|=2,41 10^-1 g. Proposer une explication.

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corrigé

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L'électrolyse est une réaction d'oxydoréduction forcée ; elle nécessite un apport d'énergie sous forme d'énergie électrique.

équations des transformations aux électrodes :

anode positive ( oxydation) : Cu (s) = Cu²⁺ + 2e^-.

cathode négative ( réduction) : Cu²⁺ + 2e^- = Cu(s)

bilan : Cu (s) + Cu²⁺ = Cu(s) + Cu²⁺ .

anode soluble : le cuivre de l'électrode s'oxyde en ion Cu²⁺(aq) ; le métal de l'anode disparaît.

Evolution de la concentration de la solution en ion Cu²⁺ :

lorsqu'un ion cuivre II est réduit à la cathode, un ion cuivre II apparaît lors de l'oxydation à l'anode : en conséquence la concentration en ion cuivre II ne change pas.

rôle de l'acide sulfurique :

à pH supérieur à 5, on observe la précipitation de Cu(OH)₂ ; le milieu doit avoir un pH inférieur à 5 : c'est le rôle de l'acide sulfurique ( d'autre part l'ion sulfate reste spectateur)

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la plaque d'acier doit se recouvrir de métal cuivre : elle joue le rôle de cathode ; sur cette plaque d'acier les ions cuivre II sont réduits en cuivre.

Quantité d'électricité ( C) notée Q : intensité ( A) fois durée ( seconde)

Q= I Dt

De plus Q= n_e N_Ae avec n_e quantité de matière (mol) d'électron et e : charge élémentaire

ou N_Ae = 1 faraday : en valeur absolue, charge d'une mole d'électrons.

or à la cathode : Cu²⁺ + 2e^- = Cu(s) d'où n_e = 2 n_Cu.

par suite : n_Cu = ½n_e=½It / ( N_Ae )

masse de cuivre déposée sur l'acier : quantité de matière (mol) de cuivre * masse molaire (g/mol)

m_Cu=n_Cu M(Cu) = ½n_eM(Cu) = ½It M(Cu) / ( N_Ae )

m_Cu=0,5*0,4*30*60*63,5 / (6,02 10²³*1,60 10^-19) = 2,37 10^-1 g.

explication de la variation de masse de la lame de cuivre |Dm|=2,41 10^-1 g :

Explication n°1 : dans la réalité, à la cathode d'autres espèces présentes ( H₂O, ion oxonium) peuvent être réduites et concurence un peu la réduction des ions cuivre II.

Explication n°2 : l'anode étant constituée de cuivre impur, une partie de ces impuretés se retouvent soit au fond de la cuve, soit dans la solution.

En conséquence la masse de cuivre déposée est inférieure à la diminution de masse de l'anode.

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