Chap 13 - Transformations forcées : l'électrolyse (C.3)

I ) Transformations spontanée et non spontanée :

1) Réaction spontanée entre le cuivre (métal) et le dibrome en solution aqueuse :

Dans un tube à essais, on mélange de la poudre de cuivre (Cu) et une solution de dibrome (Br₂) à la concentration de 0,01 mol.L^-1(solution jaune).

On observe une coloration ….. (ions ….) et la disparition de métal …… et de la coloration orange.

équation : …… + …… = …… + …… avec: K = 1,2.10²⁵

Qr_i = ………………… = …….. = … ⇒ Qr_i … K

D'après le critère d'évolution spontanée , le système va évoluer dans le sens ……. de l'équation.

K …. 10⁴ , la réaction est presque ……… dans le sens ….. de l'équation.

2) Transformation forcée :

Dans un tube à essais, on mélange une solution de bromure de potassium à 1,0 mol.L^-1 et une solution de sulfate de cuivre à la concentration de 1,0 mol.L^-1(solution bleue)

Q_r,i = ……………………= … , K' = 1/ … = ………… … Q_r,i .

Le système est presque à ……………., il n'………. presque pas.

Il est possible de ………. la réaction en lui apportant de ……….. grâce à un générateur.

On impose une tension à une solution de bromure de cuivre à 0,1 mol.L^-1 dans un tube en U :

Le générateur utilisé est à tension réglable.

Lorsque la tension appliquée est trop faible (< 1,2V) il ne se passe rien.

Pour une tension appliquée supérieure à 1,2V, on observe un dépôt de ……… sur l'électrode négative (……..) et l'apparition de ………… en solution au voisinage de l'électrode positive (……..).

Demi-équations et bilan :

A la cathode : …….. + ..e^- = … ….. d'électrons, c'est une ………..

A l'anode : …….. = ….. + ..e^- ……… d'électrons c'est une ……….

Bilan ……. + …… = ……. + ……..

Ce bilan est l'………… de celui correspondant à l'évolution spontanée.

On voit ainsi que, lorsqu'un générateur fournit suffisamment d'énergie électrique à un système, il peut le ……….. à évoluer dans le sens ………… du sens d'évolution spontanée.

3) L'électrolyse :

L'électrolyse est une transformation ……., due à la circulation du ………. imposé par un générateur , le système évoluant en sens ………. de celui de la transformation spontanée.

L'électrode où se produit l'oxydation est appelée …….. (où entre le courant ).

L'électrode où se produit la réduction est appelée …….. ( le courant en sort ).

L'oxydation est ……… et la réduction est ………….(pour un électrolyseur et une pile)

Les pôles et sont déterminés grâce au sens des électrons ( du courant).
Attention, ils s'inversent pour un électrolyseur et une pile.(savoir le retrouver)

II ) Exemples d'électrolyse :

1) Electrolyse d'une solution de chlorure de sodium :

c = 0,1 mol.L^-1

L'électrode reliée au pôle ……… des électrons à la solution, elle est chargée ………… et attire les …….. chargés ……….., ici les ions …. . Ils se déplacent dans le même sens que le courant.

Il s'y produit la réduction, c'est donc ……….

L'électrode reliée au pôle ……. des électrons de la solution, elle est chargée ………… et attire les …….. chargés ……….., ici les ions …. . Ils se déplacent dans le même sens que les électrons .

Il s'y produit l'oxydation, c'est ……….

Une électrolyse peut concerner beaucoup d'espèces en solution.

Ici, les espèces présentent sont ………………………………………………………….. . Le graphite est inerte.

Les couples d'oxydoréduction susceptibles d'être mis en jeu sont :

…./…. ; …./…. ; …./…. ; …./….

A la cathode , il y a 2 possibilités …………………… ou ………………………….

L'expérience montre……………………………….., c'est donc la …….. ........... qui a lieu.

A l'anode, il y a 2 possibilités : ……………………. ou ...................................

L'expérience montre……………………………., c'est donc la …….. ................ qui a lieu.

Si on verse de la phénolphtaléine à la cathode, il vire au rose indiquant la présence d'ions ……….. Si on verse de l'indigo à l'anode, il se décolore indiquant la présence de ………...

Bilan : ………………………………………………….

C'est l'observation des produits formés qui permet de déterminer les réactions qui se produisent aux électrodes.

2) Electrolyse d'une solution d'acide sulfurique :

Les espèces présentent sont ……………………………… .

Les couples susceptibles d'être mis en jeu sont :

…………………………………………………………….

A la cathode : ………………………

L'expérience montre un ……………………………..

A l'anode, il y a 2 possibilités : ………………………….. ou ……………………………

L'expérience montre un………………………, c'est donc la ……. .............. qui a lieu.

Bilan : .........................

On retrouve les proportions de gaz dans les volumes de gaz recueilli dans les tubes.

III ) Calcul de quantité de matière :

On utilise les mêmes formules que pour les piles :

Q =..............; n(e^- ) = .......... ( 1 F = ……. )

On tient compte des demi-équations aux électrodes pour déterminer les quantités de matière produites et consommées.

Pour l'électrolyse de la solution de chlorure de sodium : A l'anode : ……………………

n(Cl₂ )_formé = ….n(e^- ) = ............ = …………..

Pour l'électrolyse de la solution d'acide sulfurique : A l'anode : ……………………..

n(O₂ )_formé = ….n(e^- ) = ………..= …………

IV ) Quelques applications de l'électrolyse :

1) Préparation de métaux et des non-métaux :
Malgré son coût énergétique, l'électrolyse est utilisé dans l'industrie chimique pour préparer ou purifier des métaux. Le zinc et l'aluminium sont préparés par électrolyse d'une solution contenant leurs cations ou leurs oxydes. Le cuivre est purifié par électrolyse.

2) Préparation de substances non métalliques :

Le dichlore et la soude sont préparés par électrolyse d'une saumure (solution très concentrée de chlorure de sodium).

3) Protection et reproduction d'objet :

On peut déposer un couche de métal sur un objet conducteur par électrolyse d'une solution électrolytique contenant les cations du métal, l'objet sert de cathode.

La galvanoplastie permet de reproduire un objet, la galvanostégie permet de le protéger.

V ) Les accumulateurs :

1) Définition :

Un accumulateur peut fonctionner …………….en générateur (pile) et aussi en sens ……….. pour se recharger.

Brancher à un circuit, il fournit ………….. de l'électricité, il se ………….

En le branchant aux bornes d'un générateur qui impose un sens de courant ……….. du précédent, le système évolue alors dans le sens ……….. de son sens d'évolution spontanée, il se ……...

2) L'accumulateur au plomb :

Il est constitué de 2 électrodes en ……. dont l'une est recouverte de ………….., plongeant dans une solution d'acide sulfurique et de sulfate de plomb.

Fonctionnement en générateur : Equations aux électrodes et bilan électrochimique :

A la cathode : PbO_{2 (s)} + SO₄^2-_(aq) + 4 H⁺_(aq) + 2 e^- = PbSO_{4 (s)} + 2 H₂O_(l)

A l'anode : Pb_(s) + SO₄^2-_(aq) = PbSO_{4 (s)} + 2 e^-

Bilan : PbO_{2 (s)} + 2SO₄^2-_(aq) + 4H⁺_(aq) + Pb_(s) = 2 PbSO_{4 (s)} + 2 H₂O_(l)

Pendant la charge, la réaction se déroule dans le sens ……… et les réactifs sont……….

La f.é.m est de l'ordre de 2V. Dans une batterie de voiture de 12 V, on en associe … en …….

VI ) Réactions spontanées et réactions forcées dans le monde biologique :

1) La respiration :

C'est un processus biologique complexe mettant en jeu des réactions …………..d'oxydoréduction.

Par exemple : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ = 6 CO₂ + 6 H₂O C'est une réaction ………. dans le sens ……...

2) La synthèse chlorophyllienne :

Synthèse de matière organique avec l'aide de la lumière par les végétaux dits"chlorophylliens".

6 CO₂ + 6 H₂O = C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Il s'agit de la réaction ………..de la précédente (respiration). C'est donc une réaction ………..

Ici, l'énergie nécessaire n'est pas électrique mais elle provient de la ………..