Réaction d'oxydoréduction avec le couple Zn2+(aq)/Zn(s)
La réaction produit un dépôt d'argent métallique et des ions nickel Ni2+ en
solution. Ecrire les demi-équations électroniques puis l'équation de la réaction.
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EXERCICE I. RÉACTION DOXYDORÉDUCTION AVEC LE COUPLE Zn2+(aq)/Zn(s)
Bac S Antilles Guyane 09/2010 (6,5 points) http://labolycee.org
Le zinc est un métal de couleur bleu-gris, moyennement réactif, qui se combine avec loxygène et dautres non-métaux, et qui réagit avec des acides dilués en dégageant du dihydrogène. On lobtient principalement à partir du minerai de sulfure de zinc (ZnS). Le métal zinc est utilisé notamment comme électrode dans de nombreuses piles telles que les piles salines et alcalines. Une autre application du zinc à létat métallique est son utilisation comme couche protectrice sur lacier pour lutter contre la corrosion Une technique possible est lélectrozingage qui consiste à faire un dépôt de zinc sur un métal par électrolyse.
Données :
Couleurs de solutions : - une solution aqueuse contenant des ions cuivre Cu2+ est bleue ;
- une solution aqueuse contenant du diiode (I2) est orange.
Couples doxydo-réduction : Zn2+(aq)/Zn(s) Cu2+(aq)/Cu(s)
Al3+(aq)/Al(s) l2(aq)/I(aq)
Masse molaire : MZn = 65,4 g.mol-1 ; MAl = 27,0 g.mol-1
Valeur du Faraday : 1 F = 9,65(104 C.mol-1
Charge électrique élémentaire : e = 1,60(1019 C
Constante dAvogadro : NA = 6,02(1023 mol-1
1. Première expérience : réaction avec le couple Cu2+(aq) / Cu(s)
Dans un becher, on introduit :
- un volume V1 = 20 mL dune solution aqueuse de sulfate de cuivre contenant des ions Cu2+(aq) de concentration C1 = 1,0(10 1 mol.L-1 ;
- un volume V2 = 10 mL dune solution aqueuse de sulfate de zinc contenant des ions Zn2+(aq) de concentration C2= 1,0(10 (1 mol.L-1 ;
- une lame de cuivre ;
- une lame de zinc.
Après quelques minutes, on observe plusieurs faits expérimentaux :
- le mélange réactionnel initialement bleu est devenu quasiment incolore ;
- un dépôt métallique rougeâtre est apparu sur la lame de zinc ;
- le mélange réactionnel a subi une légère augmentation de température.
On suppose que la transformation chimique qui se produit est modélisée par la réaction dont léquation (1) figure ci-dessous. La constante déquilibre de cette réaction a pour valeur K = 2(1037.
Cu2+(aq) + Zn(s) = Zn2+(aq) + Cu(s) équation (1)
1.1. Disposant de léquation de la réaction ci-dessus, donner lexpression du quotient de réaction Qr.
1.2. Calculer la valeur de ce quotient de réaction à létat initial.
1.3. Appliquer le critère dévolution spontanée et déterminer le sens dévolution du système Montrer que le sens dévolution prévu est cohérent avec les observations expérimentales.
2. Deuxième expérience : étude de la pile zinc-aluminium
On dispose maintenant :
- de 100 mL dune solution aqueuse de sulfate de zinc contenant des ions Zn2+(aq) de concentration 3,0(10 1 mol.L-1 ;
-de 100 mL dune solution aqueuse de sulfate daluminium contenant des ions Al3+(aq) de concentration 1,0(10 1 mol.L-1 ;
- dune lame de zinc de masse m1 = 3,0 g ;
- dune lame daluminium de masse m2 = 3,0 g ;
- dun pont salin ;
- dun conducteur ohmique de résistance R ;
- de fils de connexion.
2.1. Schématisation de la pile
2.1.1. Réaliser le schéma annoté de la pile Zinc Aluminium.
2.1.2. On branche un conducteur ohmique aux bornes de la pile.
Compléter le schéma de la question précédente.
2.2. Principe de fonctionnement de la pile
Léquation de la réaction qui se produit quand la pile débite est :
3 Zn2+(aq) + 2 Al (s) = 2 Al3+(aq) + 3 Zn (s)
2.2.1. Écrire léquation de la réaction électronique qui se produit à lélectrode de zinc et celle qui se produit à lélectrode daluminium.
2.2.2. En déduire le sens de circulation des électrons dans le circuit extérieur. Justifier votre réponse.
2.2.3. Indiquer sur le schéma : - le sens de circulation des électrons dans le circuit extérieur ;
- le sens du courant ;
- la polarité de la pile.
2.3. Étude de la pile en fonctionnement.
2.3.1. Déterminer les quantités de matières initiales (en mol) en ion Zn2+ et en aluminium solide Al(s), sachant quon utilise la totalité des solutions disponibles pour réaliser la pile.
2.3.2. Compléter le tableau descriptif de lévolution du système (voir annexe 1).
En déduire le réactif limitant et la valeur xmax de lavancement maximal.
2.3.3. Calculer la quantité maximale délectricité Qmax que peut débiter cette pile. Justifier votre raisonnement à laide de la dernière colonne du tableau descriptif du système de lannexe 1.
3. Troisième expérience : électrolyse dune solution diodure de zinc
Pour faire cette expérience, on réalise un montage (représenté ci-dessous) comprenant un générateur, un tube en U rempli dune solution aqueuse diodure de zinc (contenant des ions zinc Zn2+ et des ions iodure I-) et deux électrodes A et B.
On constate que :
- sur lélectrode A, il se forme un dépôt métallique de zinc ;
- du côté de lélectrode B, la solution prend une teinte orange.
3.1. Au niveau de lélectrode B :
3.1.1. Quel est le produit formé au niveau de lélectrode B ?
3.1.2. Écrire la demi-équation électronique correspondante.
3.2. Écrire léquation de la réaction électronique modélisant la transformation sur lélectrode A.
3.3. Parmi les électrodes A et B, identifier lanode et la cathode en justifiant vos réponses.
3.4. Étude quantitative de lélectrolyse :
Au cours de lélectrolyse, lintensité du courant été maintenue à la valeur I = 500 mA. Un dépôt de zinc de masse mZn = 1,50 g a été obtenu sur lélectrode A.
3.4.1. Calculer la quantité de matière délectrons ne- (en mol) qui a circulé pendant lélectrolyse. On pourra raisonner sur léquation de la réaction mise en oeuvre au niveau de lélectrode A ou sur toute autre justification bien argumentée.
3.4.2. En déduire la quantité délectricité Q mise en jeu pendant lélectrolyse.
3.4.3. Déterminer la durée (t de lélectrolyse.
4. Bilan
Pour chacune des trois expériences ci-dessus, indiquer à laide de croix sur le tableau, situé en annexe 1, si la transformation chimique mise en jeu :
- est spontanée ou forcée ;
- nécessite de lénergie ou libère de lénergie.
Annexe 1 de lexercice I. à rendre avec la copie
2.3.2. Tableau descriptif du système :
Équation3 Zn2+(aq) + 2 Al (s) = 2 Al3+(aq) + 3 Zn (s)État du systèmeAvancement (mol)Quantité de matière (mol)Quantité délectrons échangée (mol)État initial01,0(10-24,6(10-20En cours de transformationxÉtat maximalxmax
4. Bilan
Transformation chimique :spontanéeforcéenécessitant de lénergielibérant de lénergiePremière expérienceDeuxième expérienceTroisième expérience
