Série d'exercices : L'électrolyseEXERCICE1Pour déposer une couche de cadmium sur une pièce de fer on réalise l’électrolyse d’une solution desulfate de cadmium (Cd2+ , SO4

2- ) acidifiée par l’acide sulfurique. Dans cette expérience, on remarque le dégagement d’un gaz et la formation d’une couche de cadmium (Cd)Les réactions qui se produisent se traduisent par les équations suivantes :Cd2+ + 2e- ---------------> Cd et 2 H2O -----------------------------> 4H+ + O2 + 4e-

1) Préciser le nom de l’électrode où se produit chaque réaction. Justifier.2) Donner un schéma du dispositif de l’électrolyse étudiée en précisant les pôles du générateur, les noms des électrodes, le gaz qui se dégage, le dépôt métallique formé et le sens des porteurs des charges.3) Écrire l’équation de la réaction globale qui se produit dan l’électrolyseur.4) Après une durée Δt , la masse de cadmium est m = 449,6 g. a) Déterminer la quantité de matière de Cd2+ qui a réagit pendant Δt .On donne MCd = 112,4 g.mol-1

b) Déterminer le volume du gaz formé pendant Δt . (volume molaire Vm = 25 L.mol-1). c) Déterminer la durée Δt sachant que l’intensité du courant est I = 200 A.RAPPEL : La relation entre la quantité de matière n du métal déposé, la durée du fonctionnement Δt et l’intensité constante I du courant dans le circuit est n = I. Δt /2.F avec F = 96500 C.mol-1 est la constante de Faraday.EXERCICE2Électrolyse de sulfate de cuivre entre deux électrodes de graphite :On effectue l’électrolyse d’une solution aqueuse de sulfate de cuivre entre deux électrodes de graphite.Le passage du courant dans la solution s’accompagne de la formation d’un dépôt de cuivre sur une électrode et d’un dégagement de dioxygène sur l’autre.1) faire un schéma simple en précisant l’anode, la cathode, les pôles du générateur, le sens de migration des cations, le sens de migration des anions, le sens du mouvement des électrons.2) a) Écrire l’équation de formation du métal cuivre Cu à partir des ions Cu2+. b) Au niveau de quelle électrode se forme ce dépôt. Justifier.3) Au niveau de l’autre cathode se dégage de dioxygène ; ce qui se traduit par l’équation : 6H2O ----------------------> O2 + 4H3O+ + 4 e-

Nommer l’électrode ou se produit cette réaction.4) En déduire l’équation de la réaction globale.5) S’agit-il d’une électrolyse à anode attaquable ou inattaquable ?6) le volume de dioxygène formé après une durée Δt1 est V = 90 mL.En déduire la masse de cuivre déposé pendant la même durée.On donne : la masse molaire de cuivre MCu = 63,5 g.mol-1

Le volume molaire gazeux VM = 30 L.mol-1.Électrolyse de sulfate de cuivre entre deux électrodes de cuivre :On réalise l’électrolyse d’une solution aqueuse de sulfate de cuivre de concentration molaireC0 = 0,4 mol.L-1 entre deux électrodes de cuivre. On remarque alors la formation d’un dépôt de cuivre sur une électrode et la disparition progressive du métal Cu de l’autre électrode. On admet que la seul couple mis en jeu est Cu2+/Cu.1) Écrire l’équation de la réaction qui se produit à la cathode. Justifier.2) Écrire l’équation de la réaction qui se produit à l’anode. Justifier.3) Écrire l’équation de la réaction globale qui se produit.4) Après une durée Δt2 d’électrolyse, le cuivre formé a une masse m = 6,35 g.En déduire la masse manquante de cuivre de l’autre électrode.5) Déterminer la concentration finale C de la solution de sulfate de cuivre obtenue après la durée Δt 2

de fonctionnement. Justifier .

EXERCICE31) On dissout une masse m de sulfate de cadmium ( CdSO4) dans l’eau pure afin d’obtenir une solution aqueuse (S) de volume V = 400 mL et de concentration molaire C0 = 0,2 mol.L-1.a) Déterminer la quantité de matière de sulfate de cadmium dissoute.b) En déduire la masse m. On donne la masse molaire du sulfate de cadmium M = 208,4 g.mol -1.2) Pour recouvrir une plaque P1 de fer par une couche de cadmium métallique Cd, on réalise l’électrolysede la solution (S). La plaque P1 constitue l’une des électrodes de l’électrolyseur.L’autre électrode est une plaque P2 inattaquable, au niveau de laquelle se produit la transformation schématisée par l’équation : a) la réaction ayant lieu au niveau de P2 est-elle une réaction d’oxydation ou de réduction ? Justifier. b) Écrire l’équation schématisant la réaction qui se produit au niveau de P1 c) La plaque P1 joue-t-elle le rôle d’une anode ou d’une cathode lors de l’électrolyse ? Justifier. d) Pour réaliser cette électrolyse, on utilise un générateur de tension G. Laquelle des deux plaque P 1 et P2 doit être liée au pole positif de G ?3) Après une durée d’électrolyse Δt , la concentration de la solution en ions Cd2+ est égale à 5.10-2 mol.L-1. a) Justifier la diminution de la concentration de la solution en ions Cd2+. b) la concentration de la solution en ions varie-t-elle ? Justifier. c) Calculer la masse de cadmium déposé sur la plaque P1.Le volume de la solution (S) est supposé constant au cours de l’électrolyse. Masse molaire du cadmium MCd = 112,4 g.mol-1.4) a) Écrire l’équation de la réaction bilan de l’électrolyse. b) Cette réaction est-elle spontanée ou imposée ? c) Déterminer le volume de dioxygène dégagé au bout de la durée de l’électrolyse Δt.Le volume molaire des gaz est égal à 25 L.mol-1 dans les conditions de la réaction. H2O ------------------------> O2 + 4 H+ + 4e-

EXERCICE4On donne : Zn = 65,4 g.mol-1 et la constante de Faraday F = 96500 C.mol-1.I/ On souhaite déposer une masse m1 = 100 g de zinc sur une pièce en acier. Pour cela, on réalisel’électrolyse à anode consommable d’une solution de chlorure de zinc(II) ZnCl2. L’objet en acier à recouvrir constitue l’une des électrodes ; l’autre électrode est une plaque du zinc. Le seul couple mis en jeu est Zn2+/Zn.1) Faire un schéma annoté du principe en précisant le mouvement des porteurs des charges.2) Écrire les demi-équations des transformations qui se produisent à chaque électrode. En déduire l’équation globale.3) Déterminer l’intensité I1 du courant d’électrolyse pour obtenir un dépôt du zinc de masse m1 en une durée Δt=10 h.4) La concentration molaire en chlorure du zinc de la solution initiale est C0 = 0,5 mol.L-1. En déduire la concentration finale des ions Zn2+ dans la solution finale obtenue après la durée Δt=10 h. Le volume de la solution est inchangé.II/ On souhaite déposer une masse m2 de zinc sur une pièce en acier. Pour cela, on réalise l’électrolyse à anode inattaquable de graphite d’une solution de chlorure de zinc(II) ZnCl2. On observe alors la formation d’un dépôt du zinc sur la cathode et un dégagement de dichlore Cl2 à l’anode.1) Préciser les couples ox/red mis en jeu dans cette réaction.2) Écrire la demi-équation de la transformation qui se produit au niveau de chaque électrode. En déduire l’équation globale.3) La solution de volume V2= 45 L a une concentration molaire initiale C0 = 0,5 mol.L-1.a) Sachant que l'intensité du courant est fixée à I = 20 A. déterminer la masse m2 du zinc déposé après 30 heures.b) En déduire la concentration molaire finale des ions Zn2+ dans la solution de chlorure de zinc après 30 heures.