Aurélie 09/03

élaboration du zinc par électrolyse La Réunion 03

sans calculatrice


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Le zinc est préparé par électrolyse d'une solution de sulfate de zinc acidifiée à l'acide sulfurique. les ions sulfates ne participent pas à la réaction. On observe un depôt métallique à l'une des électrodes et un dégagement gazeux sur l'autre.

données : Zn=65 g/mol ; rZn=7 g/cm3 ; constante d'Avogadro : 6,02 1023 mol-1 ; e = 1,6 10-19 C ;

1 F = 96500 C environ 105 C ; 65*8*48*36 environ 9 105 ; 8*48*36 environ 14 000 ; 65*48 / (8*36) environ 10 ; 8*48/36 environ 10.

I- Etude de la transformation :

  1. Quels sont les réactions susceptibles de se produire sur chaque électrode sachant que le solvant est oxydé en dihydrogène. Couples redox : Zn2+ / Zn ; H+ / H2(g) et O2(g) / H2O(l).
  2. Schématiser l'électrolyseur en précisant le nom de chaque électrode, leur polarité et le sens de déplacement des espèces chargées.
  3. En justifiant le choix des couples, vérifier que l'équation de la réaction globale de cette électrolyse est :
    Zn2+ + H2O = Zn (s) +½O2 + 2H+.
  4. S'agit-il d'une transformation spontanée ou forcée ? Pourquoi ? Quelle vérification théorique proposeriez-vous ?
  5. Etablir le tableau d'avancement correspondant à la réaction d'électrolyse.

II- Exploitations : l'électrolyse a lieu sous 3,5 V. L'intensité du courant peut atteindre 80 kA. Après 48 heures de fonctionnement, le dépôt de zinc est suffisamment épais et il est alors séparé de l'électrode, fondu et coulé en lingots.

  1. Quelle est la relation entre l'avancement x de la réaction et la quantité d'électricité Q transportée dans cet électrolyseur ?
  2. Quel est l'ordre de grandeur de la masse de zinc produite par une cellule en deux jours ?
  3. En fait on obtient une quantité de zinc inférieure à celle attendue. Pourquoi ?
  4. A l'autre électrode on récupère le dioxygène. Le rendement de la réaction qui le produit est de 80 % et le volume molaire de 24 L/mol dans les conditions expérimentales. Donner la relation entre l'avancement x et le volume v de dioxygène récupéré. Quel est l'ordre de grandeur de v ?

 

corrigé
espèces présentes en solution : H2O ; Zn2+ , H+ , SO42-.

Zn2+ migre vers la cathode négative et se réduit : Zn2+ + 2e- = Zn (s)

H+ migre vers la cathode négative et peut se réduire : 2H+ + 2e- =H2 (g), réaction concurente de la précédente. ( la masse théorique de zinc sera donc supérieure à la masse réelle)

les molécules d'eau sont présentes à la cathode et peuvent se réduire en H2.

SO42- migre vers l'anode positive : pas d'oxydation de l'ion sulfate

l'eau est présente à l'anode et s'oxyde : H2O = ½ O2 + 2H+ + 2e- .

 

équation de la transformation : Zn2+ + H2O =Zn(s) + ½O2 + 2H+ . 

L'électrolyse est une transformation forcée : l'énergie electrique fournie est convertie en énergie chimique ; une petite partie est perdue sous forme de chaleur.

vérification théorique : le quotient de la réaction Qr est supérieur à la constante d'équilibre K : donc pas de réaction spontanée dans le sens direct.


Zn2+
+ H2O
=Zn(s)
+ ½O2
+ 2H+
initial
a0 mol
solvant
0
0
n0
en cours
a0 -x
x
½x
n0 +2x
fin
0
xmax=a0
½xmax=½a0
n0 +2xmax.
d'après Zn2+ + 2e- = Zn (s) : qté de matière d'électron = ne- = 2x

Q= It = 96500 ne- .

Q= 8 104 * 24*2*3600 = 8*36*48 106 = 1,4 1010 C

ne- = 1,4 1010 / 96500 voisin de 1,4 1010 / 105 = 1,4 105 mol d'électrons

soit x = 1,4 105 / 2 = 7 104 mol.

Qté de matière de zinc : 7 104 mol

masse de zinc : 7 104 * masse molaire = 7 104 *65 = 4,55 106 g = 4,55 t.

volume O2 = Qté de matière dioxygène * volume molaire des gaz

v = ½x *24 = 12 x = 12*7 104 = 8,4 105 L = 840 m3.

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