Electrolyse à anode soluble
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ELABORER UN « PRODUIT » DE CONSOMMATION : DE LA MATIERE PREMIERE A LA FORMULATION. 2ère séance : ELECTROLYSER QUELQUES APPLICATIONS DE L’ELECTROLYSE Lire livre p193 à 196 I/ GENERALITES L’électrolyse est utilisée dans la métallurgie ; elle permet de fabriquer des objets métalliques, de les embellir mais aussi de les protéger de la corrosion. Dans l’industrie chimique, elle permet de préparer des métaux à partir de solutions aqueuses (cuivre, zinc) ou de mélanges fondus (sodium, aluminium), de récupérer certains métaux issus de recyclage d’objets métalliques (étain). Questions 1) Quelle est la nature de la transformation chimique intervenant lors d’une électrolyse ? 2) Pourquoi la présence d’un générateur dans le circuit est-elle nécessaire ? 3) Comment évolue le quotient de réaction lors d’une électrolyse ? 4) Quels noms portent les électrodes ? Indiquer la méthode permettant de les identifier. 5) Compléter les phrases suivantes : « Un oxydant ………….. un réducteur ; un oxydant est …………… par un réducteur. Un réducteur ………….. un oxydant ; un réducteur est …………… par un oxydant. II/ AFFINAGE DU CUIVRE 1/ Electrolyse à anode soluble Décaper le fil de cuivre avec la toile émeri Faire le montage, le fil de cuivre étant relié à la borne positive du générateur. Utiliser un agitateur magnétique. Ajuster la valeur de la tension délivrée par le générateur de telle sorte que l’intensité du courant soit de l’ordre de 200mA. Noter vos observations. Questions 6) Sur le schéma indiquer le signe des bornes du générateur, le sens de déplacement des électrons et celui du courant dans le circuit électrique. Comment est assuré le passage du courant dans la solution ? 7) Interpréter les observations en écrivant les équations de réactions aux électrodes. Identifier l’anode et la cathode. Justifier l’expression « électrolyse à anode soluble ». 8) La fabrication industrielle du cuivre à partir de son principal minerai, la chalcopyrite aboutit au blister, cuivre noir, titrant 99% de cuivre pur. Pour affiner (purifier) le blister et parvenir au cuivre titrant 99,99% on a recours au procédé dit d’électrolyse à « anode soluble ». Dans ce cas la solution électrolytique est une solution de sulfate de cuivre. Le blister (métal impur) constitue-t-il l’anode ou la cathode ? A quelle électrode se forme le cuivre purifié ? 2/ Electrolyse d’une solution de sulfate de cuivre avec électrodes de cuivre. Décaper très soigneusement, avec un morceau de toile émeri, les deux plaques de cuivre. Repérer au feutre indélébile chaque plaque ; les peser avec précision (au centième de gramme) et noter leur masse. Faire le schéma (puis le réaliser) du montage comportant, en série, un générateur de tension continue réglable, une cellule d’électrolyse constituée de deux plaques de cuivre fixées solidement et plongeant dans la solution de sulfate de cuivre jusqu’à mi-hauteur, un ampèremètre sur le calibre 1A. Installer sous le bécher un système d’agitation magnétique en évitant que le turbulent ne touche les plaques de cuivre. Identifier sur le schéma l’anode et la cathode. Mettre le générateur sous tension et ajuster rapidement la tension délivrée de telle sorte que l’intensité du courant soit 0,50A. Déclencher le chronomètre et maintenir ce courant à intensité constante avec agitation pendant 30 minutes. Il est essentiel de maintenir une agitation constante et suffisante pour assurer la stabilité du courant. Au bout de 30mn, ouvrir le circuit, extraire les deux plaques de l’électrolyseur et les passer sous l’eau distillée. Noter vos observations. Sécher les deux plaques au sèche cheveux puis les peser. Questions 9) Ecrire les réactions se produisant aux électrodes. 10) Comment évolue la concentration en ion cuivre II dans l’électrolyte au cours de l’électrolyse ? Justifier vos réponses. 11) Déterminer l’accroissement de masse de la cathode. En déduire la quantité de matière de cuivre déposée ainsi que la quantité d’électrons ayant traversé le circuit pendant la durée de l’expérience. 12) Calculer la quantité d’électricité, Q, qui traverse le circuit lors de cette électrolyse (pendant une durée t = 30mn pour une intensité I = 0,50A). 13) En utilisant les résultats des deux questions précédentes, retrouver la valeur de la constante d’Avogadro, N. Donnée : charge élémentaire q(e-) = 1,60.10-19 C) III/ DEPOTS ELECTROLYTIQUES 1/ Anodisation de l’aluminium L’aluminium est un métal facilement oxydable à l’air. Une couche d’alumine Al2O3, protectrice, se forme à sa surface, l’empêchant de s’oxyder davantage. L’anodisation de l’aluminium consiste à produire par électrolyse une telle couche protectrice et éventuellement à déposer simultanément un colorant donnant un bel aspect à la pièce traitée. Faire le montage en réglant la tension délivrée de telle sorte que l’intensité du courant soit de l’ordre de 100mA. Electrolyser pendant 10 minutes Sortir la lame d’aluminium du bain et la rincer à l’eau courante. Observer. Plonger la lame dans une solution d’éosine aqueuse puis la rincer à l’eau. Qu’observe-ton ?L’aluminium n’ayant pas subit l’électrolyse se comporte-il de manière identique ? Questions 14) Ecrire les équation de réactions se produisant aux électrodes sachant qu’il se forme un dépôt d’alumine à l’anode et un dégagement de dihydrogène à la cathode.Ecrire le bilan de l’électrolyse. 15) Pour former 500mg d’alumine, quelle doit être la durée de l’électrolyse sous une intensité constante de 300mA ? Donnée : Faraday 1 F = 96485C 16) Quelle propriété de l’alumine permet d’expliquer la coloration de la lame ? 2/ Electrozingage L’électrozingage est un procédé permettant de déposer une couche de métal zinc à la surface d’un acier ce qui permet d’éviter la corrosion de l’acier par les oxydants atmosphériques. Polir la plaque d’acier avec de la toile émeri puis la décaper en la trempant dans une solution de soude concentrée. Rincer à l’eau sous le robinet puis laver en utilisant une solution d’acide nitrique à 10% pendant quelques secondes. Rincer à l’eau. Réaliser le montage en utilisant un bécher de 250 mL, un agitateur magnétique et un potentiomètre de 100 (curseur à mi-course) ; L’électrolyte est un mélange à volumes égaux de solution de chlorure de zinc(50mL) et de chlorure d’ammonium (50mL) Régler la tension délivrée par le générateur à environ 6V, fermer l’interrupteur puis ajuster le potentiomètre de telle sorte que l’intensité du courant soit de l’ordre de 300mA. Electrolyser pendant environ 15 minutes. Questions 17) L’acier constitue-t-il l’anode ou la cathode ? 18) Seul le couple Zn2+(aq)/Zn(s) intervient dans les phénomènes aux électrodes. Ecrire les équations de réaction à la cathode et à l’anode puis l’équation globale de l’électrolyse. Conclure. Comment appelle-t-on ce type d’électrolyse ? IV/ TRAITEMENT D’EFFLUENTS LIQUIDES La protection de l’environnement impose la récupération des éléments métalliques se trouvant dans les effluents liquides industriels. Ces éléments se trouvent principalement sous forme d’ions. Leur réduction en métal par électrolyse permet à la fois une récupération et un recyclage de ces éléments. Récupération de l’élément étain L’électrolyte simulant l’effluent pollué est une solution de chlorure d’étain acidifiée. Faire le montage en procédant de la même façon que dans l’expérience précédente. Noter ce que vous observez à l’anode et à la cathode Questions 19) Quelles sont les espèces chimiques présentes dans la solution de chlorure d’étain ? Quelle est la nature du dépôt métallique observé ? Ecrire l’équation de réaction cathodique. 20) Sachant que le gaz formé est du dioxygène, écrire l’équation de réaction anodique. 21) Ecrire la réaction globale de l’électrolyse. FICHE MATERIEL TP SPE CHIMIE QUELQUES APPLICATIONS DE L’ELECTROLYSE (2 séances) Elèves : - 1générateurs de tension continue 2 multimètres fils 2 pinces crocodiles (1 noire et 1rouge) eau distillée 1agitateur magnétique chronomètre Electrolyse à anode soluble - fil de cuivre électrode de graphite propre sur support (bois) 2 trous bécher 100 mL (en verre) Electrolyse du sulfate de cuivre avec électrodes de cuivre - - bécher 250 mL (plastique) 2 lames de cuivre + toile émeri support plexiglas pour deux plaques Prof : - - - solution acidifiée de nitrate de potassium ( dans une fiole de 500mL, verser 200mL d’acide nitrique de concentration 1,0mol.L-1 , 50g de nitrate de potassium, compléter avec de l’eau distillée) balance (la plus précise) sèche cheveux solution de sulfate de cuivre à 1,0 mol/L (100mL par table, soit 1L) + 2 béchers 250mL (à récupérer) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------Elèves : Anodisation de l’aluminium - plaque d’aluminium décapée électrode en graphite propre support bois 1 trou + 1 fente (dimensionné pour un bécher de 100mL) bécher 100mL (en verre) Electrozingage - potentiomètre 100 (supportant au moins 300mA) lame d'acier et 1 lame de zinc bécher 250 mL (plastique) Récupération de l’élément étain - Prof : - - - 2 électrodes de graphite propres, sur support (2 trous) interrupteur bécher 100mL (en verre) solution d’acide sulfurique à 6,0 mol/L éosine diluée dans 1bécher 100mL Solution de soude concentrée + verre à pied Solution d’acide nitrique à 10% + verre à pied 500mL de solution de ZnCl2 (70g/L) 500mL de solution de NH4Cl (150g/L) Gants et lunettes Solution de chlorure d’étain acidifié : 75g de SnCl2(s) dans 170mL de HCl concentré puis compléter avec 1L d’eau distillée. Filtrer la solution et récupérer le filtrat. + 2 béchers 250mL (non récupérable) }
