quelques électrolyses lycée
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. Ecrire les réactions aux électrodes puis la réaction de fonctionnement. Quelle est la quantité d'électricité mise en jeu si I=50000 A et t=1 heure? Quelles sont les masses et volumes des gaz ? 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 Peut on obtenir un dépot de nickel sur le cuivre par simple trempage dans une solution de sulfate de nickel ? On procède par électrolyse. Décrire le dispositif. 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 ? Quelle est la quantiité de matière d'électrons ? 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. Ecrire les réactions de réduction à la cathode, sachant que l'ion Mn2+ et les ions hydronium se réduisent. Quelle est la quantité d'électricité mise en jeu chaque jour si I=40000A? Quelle est la masse maximale de manganèse obtenue par jour ? 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 ? 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 Ecrire l'équation bilan de l'électrolyse. Quel est le volume de dioxygène par mole d'aluminium produit ? Quelle est la masse de bauxite à extraire pour produire 1 tonne d'aluminium? 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 ; Comment faut il procéder (brève description) Quel le réaction se produit à la cathode ? Quelle est la masse d'argent à déposer? 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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