Chargement de l'audio en cours
Plus

Plus

Lithium
P.280-281

SUJET BAC


5
Lithium




Téléchargez ce sujet en format pdf en cliquant ici.


Le 9 octobre 2019, le prix Nobel de chimie a été décerné à Akira Yoshino, Stanley Whittingham et John B. Goodenough pour leur travail sur la batterie lithium-ion. Celle-ci équipe actuellement la plupart de nos appareils mobiles comme les smartphones ou les ordinateurs portables. Le sujet s’intéresse à la production du lithium et au fonctionnement d’une pile reposant sur l’un des couples d’oxydoréduction associés.

Doc. 1
Prix Nobel de chimie 2019

Prix Nobel de chimie 2019

Doc. 2
Lithium à l’état solide

Lithium à l’état solide

Le lithium n'existe pas à l'état naturel en raison de sa trop forte réactivité avec l'eau. On le conserve en général dans la paraffine.

Doc. 3
Quelques données sur le lithium

Le lithium est un métal gris existant principalement sous la forme de deux isotopes stables de symbole et . Il s’agit d’un métal mou qui réagit violemment au contact de l’eau.

Les principaux producteurs de lithium se situent en Amérique du Sud (Argentine, Bolivie, Chili), en Australie et en Chine. C’est un constituant important des verres et céramiques ainsi que des batteries lithium-ion.

Doc. 4
Réaction du lithium avec l'eau

Le lithium solide décompose l'eau avec dégagement de dihydrogène en milieu basique. Cette réaction est très violente et a pour constante d’équilibre . L’équation de la réaction s’écrit :

Questions

1. À propos du lithium

1.1 Écrire la configuration électronique à l’état atomique du lithium.


1.2 En déduire le schéma de Lewis de l’atome de lithium.
Dessinez ici

1.3 Préciser dans quelle colonne de la classification périodique se situe cet élément chimique.


1.4 Justifier que la forme la plus stable pour le lithium soit l’ion lithium de formule .


1.5 Retrouver les couples d’oxydoréduction mis en jeu dans la réaction du lithium solide avec l’eau .


1.6 Préciser, en le justifiant, comment se situe la valeur du quotient de réaction de début de réaction par rapport à .
Voir la correction

Doc. 5
Électrolyse du chlorure de lithium

Électrolyse du chlorure de lithium

Doc. 6
Préparation de lithium

Le lithium sous forme métallique peut être obtenu par électrolyse de chlorure de lithium fondu selon le procédé schématisé dans le doc. 5. Le chlorure de lithium est en permanence renouvelé dans la cellule d’électrolyse. L’anode et la cathode sont séparées par une grille métallique.

L’intensité du courant appliqué est d’environ 44 kA pour une tension de 7 V dans cette cellule. Ces conditions permettent de produire en 24 h environ 275 kg de lithium et 1 400 kg de dichlore.

Données

  • Couples d’oxydoréduction :
  • Masses volumiques à 600 °C : g·cm-3 et g·cm-3
  • Constante de Faraday : C·mol-1

Questions

2. Production du lithium métallique grâce à une électrolyse

2.1 Écrire les demi-équations d’oxydoréduction se produisant à l’anode et à la cathode. En déduire la réaction globale de l’électrolyse.


2.2 Préciser pourquoi le lithium liquide se place à la surface du chlorure de lithium liquide.


2.3 Si on suppose le rendement de l’électrolyse égal à 100 %, vérifier que la masse de lithium obtenu en 24 h par cette électrolyse est égale à 275 kg.
Voir la correction

Doc. 7
Pile lithium-ion

Certaines piles lithium‑ion de forme cylindrique ont une tension de V pour une charge électrique maximale (ou capacité électrique) de kC. Les couples d'oxydoréduction permettant leur fonctionnement sont / et /. Le lithium s’oxyde alors que le chlorure de thionyle est réduit en formant du soufre , du dioxyde de soufre et des ions chlorure .

La notation désigne le fait que les espèces ioniques sont dissoutes dans une solution différente de l’eau, ne présentant pas la réactivité de cette dernière avec le lithium .

Doc. 8
Exemple de pile lithium-ion

pile lithium-ion

Données

  • Masses molaires atomiques : g·mol-1 et g⋅mol-1
  • Constante de Faraday : C⋅mol-1

Questions

3. Fonctionnement d’une batterie lithium-ion

3.1 Écrire les demi-équations aux électrodes ainsi que l’équation de la réaction globale de fonctionnement de cette batterie lors de sa décharge.


3.2 Préciser, en le justifiant, le rôle joué par le lithium solide (s) dans cette batterie dans le cas de la décharge.


3.3 Pour une décharge complète de la batterie, calculer la quantité de lithium consommé.
Voir la correction
Utilisation des cookies
Lors de votre navigation sur ce site, des cookies nécessaires au bon fonctionnement et exemptés de consentement sont déposés.