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Exercices

22
Formation de plomb
23
Réflexion en QCM
24
Constante de Faraday
25
Préparation de l’eau de Javel

26
Étamage d’une canette
27
Copie d’élève à commenter
28
Stockage de l’énergie solaire
29
Accumulateur au plomb

Pour s'entraîner

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22
Formation de plomb

✔ RAI/ANA : Utiliser et interpréter des documents

On réalise l’électrolyse d’une solution aqueuse de nitrate de plomb

(Pb^{2 +} (aq); 2 NO_{3}^{-} (aq))

dans un électrolyseur dont l’électrode de graphite est reliée à la borne positive du générateur et l’électrode de plomb à la borne négative. Un dépôt de plomb

Pb(s)

se forme sur l’électrode de graphite et un dégagement gazeux de dioxygène apparaît à l’autre électrode. L’intensité du courant est maintenue à

300

mA durant

1

30

.

1. Écrire les demi-équations de réactions aux électrodes ainsi que l’équation de la réaction d’électrolyse.

2. Préciser si l'électrode de plomb joue le rôle d'anode ou de cathode.

3. Exprimer la quantité de matière de plomb formée en fonction de l’intensité du courant et de la durée de l’électrolyse.

4. Calculer la masse de la couche de plomb formée.

Données

Couples d'oxydoréduction : $Pb^{2 +} (aq)/Pb(s)$ et $O_{2} (g)/H_{2} O(l)$
Masse molaire du plomb : $M (Pb) = 207, 2$ g·mol^-1
Constante de Faraday : $F = 96500$ C·mol^-1

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23
Réflexion en QCM

✔ APP : Extraire l'information utile

On dispose d’un mélange d’une solution de nitrate d’argent

(Ag^{+} (aq); NO_{3}^{-} (aq))

de concentration

0,10

mol·L^-1 et d’une solution concentrée à

0,50

mol·L^-1 de sulfate de cuivre

(Cu^{2 +} (aq); SO_{4}^{2 -} (aq))

, d’un fil d’argent, d’une lame de cuivre et d’un générateur de courant continu.
À l’aide de ce matériel, on réalise une électrolyse dont l’équation de réaction est :

2 Ag(s) + Cu^{2 +} (aq) \to 2 Ag^{+} (aq) + Cu(s)

La constante d’équilibre de cette réaction est

K = 4, 7 \times 1 0^{- 16}

.

1. Le quotient de réaction initial de ce système pour l’équation donnée est :

a.

Q_{r, i} = 50

, la réaction est spontanée dans le sens direct.
b.

Q_{r, i} = 0, 02

, la réaction est spontanée dans le sens direct.
c.

Q_{r, i} = 0, 02

, la réaction est spontanée dans le sens inverse.

2. Préciser quelle plaque est reliée au pôle positif du générateur et la nommer.

a. La plaque de cuivre joue le rôle de cathode.
b. Le fil d’argent joue le rôle d’anode.
c. La plaque de cuivre joue le rôle d’anode.

3. L’expression de la quantité de matière de

Cu(s)

déposée est :

a.

n (Cu) = \frac{2 I \cdot Δ t}{F}

n (Cu) = \frac{I \cdot Δ t}{2 F}

n (Cu) = \frac{I \cdot Δ t}{F}

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Comprendre les attendus

24
Constante de Faraday

✔ VAL : Identifier et évaluer les sources d’erreurs

L’électrozingage consiste à recouvrir des pièces en fer ou en acier par une couche de zinc déposée par électrolyse. Ainsi, la pièce de fer est protégée de la corrosion.
Au laboratoire, on pèse une plaque de zinc

m_{1} = 28, 42

g, puis on réalise un montage d’électrolyse avec une solution de chlorure de zinc

(Zn^{2 +} (aq); 2 Cl^{-} (aq))

, une plaque de fer reliée au pôle négatif du générateur et la plaque de zinc à l’autre pôle. Un courant d'intensité

0,420

A circule dans le montage durant 50 min, puis la plaque de zinc est séchée et pesée : on obtient

m_{2} = 28, 00

1. Écrire la demi-équation de la réaction électrochimique ayant lieu à l’électrode de zinc.

2. Préciser le rôle de la plaque de zinc.

3. Relier la variation de masse de l’électrode de zinc à la quantité de matière d'électrons

n_{e}

4. Exprimer la constante de Faraday

F

en fonction de

I

Δ t

et la variation de masse de zinc.

5. En déduire une valeur de la constante de Faraday. Déterminer les sources possibles d’incertitude.

Données

Couple d'oxydoréduction : $Zn^{2 +} (aq)/Zn(s)$
Masse molaire du zinc : $M (Zn) = 65, 4$ g·mol^-1

Détails du barème	TOTAL / 5 pts
1. Utiliser les informations du texte.	0,5 pt
2. Connaître la définition d’anode et de cathode.	0,5 pt
3. Exprimer $n (Zn)_{perdu}$ et $n_{e}$ , puis relier avec la variation de masse.	1,5 pt
4. Expression de $F$ en utilisant les expressions de $Q$ .	1,5 pt
5. Effectuer l'application numérique et évaluer les sources d’erreurs.	1 pt

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25
Préparation de l’eau de Javel

✔ COM : Rédiger correctement une résolution d'exercice

L’eau de Javel ou hypochlorite de sodium se prépare industriellement par réaction du dichlore

Cl_{2} (g)

avec la soude

(Na^{+} (aq); HO^{-} (aq))

. Le dichlore est obtenu par électrolyse d’une solution de chlorure de sodium

(Na^{+} (aq); Cl^{-} (aq))

.

1. Écrire la demi-équation de réaction électrochimique associée à la formation de dichlore par électrolyse.

2. Nommer l’électrode où a lieu cette transformation.

Pour préparer l’eau de Javel de cette bouteille, il faut obtenir

15

L de dichlore gazeux à partir de la solution électrolysée en

2,0

h.

3. Montrer que l’intensité

I

du courant qui doit circuler dans l’électrolyseur est d’environ

17

Données

Constante de Faraday : $F = 9, 65 \times 1 0^{4}$ C·mol^‑1
Volume molaire des gaz à 20 °C : $V_{m} = 24, 0$ L·mol^‑1

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26
Étamage d’une canette

✔ VAL : Analyser des résultats

L’étamage consiste à déposer une couche d’étain

Sn(s)

sur une surface métallique. Beaucoup de canettes de soda sont en fer-blanc, c’est-à-dire de l’acier recouvert d’étain à l’intérieur et à l’extérieur (sauf le couvercle qui est en aluminium). Ce recouvrement peut être réalisé par électrolyse avec une solution de sulfate d’étain acidifiée

(Sn^{2 +} (aq); SO_{4}^{2 -} (aq))

et un courant d’intensité

5,0

A. L’une des électrodes est en étain et l’autre est constituée de la plaque d’acier rectangulaire servant à réaliser le corps de la canette de longueur

L = 21, 0

cm et de largeur

l = 11, 0

cm. Pour que la couche d’étain ait une épaisseur de

e = 30

μm, l’électrolyse doit durer un peu moins d’une heure.

1. Préciser le rôle de la plaque d’acier.

2. Calculer la surface d’acier à étamer.

3. Déterminer la masse d’étain à déposer sur la boîte.

4. Vérifier l’ordre de grandeur de la durée de l’électrolyse.

Données

Couple d'oxydoréduction : $Sn^{2 +} (aq)/Sn(s)$
Masse volumique de l'étain : $ρ_{Sn} = 7, 3$ g·cm^-3
Masse molaire de l'étain : $M (Sn) = 118, 7$ g·mol^-1
Constante de Faraday : $F = 96500$ C·mol^-1

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27

Copie d'élève à commenter

⬥ Proposer une justification pour chaque erreur relevée par le correcteur.

Le chromage est un traitement permettant d’obtenir des pièces très brillantes. Pour chromer une pièce métallique de

30

cm², on réalise l’électrolyse d’une solution de chlorure de chrome

(Cr^{3 +} (aq); 3 Cl^{-} (aq))

. On doit déposer une couche de chrome de

50

μm d’épaisseur.

Données

Couple d'oxydoréduction : $Cr^{3 +} (aq)/Cr(s)$
Masse molaire du chrome : $M (Cr) = 52, 0$ g·mol^-1
Masse volumique du chrome : $ρ (Cr) = 7, 19$ g·cm^-3
Constante de Faraday : $F = 9, 65 \times 1 0^{4}$ C·mol^-1

1. Préciser le rôle joué par la pièce à chromer.

Les ions

Cr^{3 +} (aq)

doivent ~~s’oxyder~~ en

Cr(s)

, donc c’est ~~l’anode~~.

2. Calculer la masse de chrome à déposer sur la pièce.

Le volume de chrome à déposer est :

V = S \cdot e

AN :

V = 30 \times 50 \times 1 0^{- 4} = 0, 15

m (Cr) = ρ \cdot V

AN :

m (Cr) = 7, 19 \times 0, 15 = 1, 1

3. En déduire la quantité de matière de chrome déposée sur la pièce métallique.

n (Cr) = \frac{m ( Cr )}{M ( Cr )}

AN :

n (Cr) = \frac{1 , 1}{5 2 , 0} = 2, 12 \times 1 0^{- 2}

mol

4. L’électrolyse dure 8,0 h, en déduire l’intensité du courant fourni.

La demi-équation est :

Cr^{3 +} (aq) + 3 e^{-} \to Cr(s)

On a donc

n_{Cr} = 3 n_{e}

soit :

I = \frac{Q}{Δ t}

I = \frac{n _{e} \cdot F}{Δ t}

I = \frac{n _{Cr} \cdot F}{3 Δ t}

AN :

I = \frac{2 , 1 \times 1 0 ^{- 2} \times 9 , 6 5 \times 1 0 ^{4}}{3 \times 8 , 0 \times 3 6 0 0} = 0, 023

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28
Stockage de l’énergie solaire

✔ RAI/MOD : Utiliser avec rigueur le modèle de l'énergie

Doc. 1

Projet MYRTE

Près d’Ajaccio, une centrale électrique très particulière a vu le jour en 2012. La plateforme MYRTE produit et stocke de l’énergie à partir du rayonnement solaire. 3 000 m² de panneaux photovoltaïques produisent du courant électrique alimentant des habitations, mais ce courant sert aussi à réaliser l’électrolyse de l’eau pour produire du dihydrogène et du dioxygène lors des moments de faible consommation d’énergie. Ces deux gaz sont ensuite utilisés pour faire fonctionner une pile à hydrogène pour produire du courant électrique au moment des pics de consommation. Ce procédé atteint 40 % de rendement global en électricité et cette centrale produit l’équivalent de la consommation d’énergie de 200 foyers. L’électrolyseur et la pile dégagent de l’énergie thermique récupérée pour produire de l’eau chaude et du chauffage sur le site. Ainsi, le rendement du système est de 70 %.

Doc. 2

Électrolyse de l'eau

Sous l’action d’un courant continu et en présence d’électrodes en platine, l’eau peut être électrolysée. Ainsi, du

H_{2} (g)

et du

O_{2} (g)

sont produits. Dans des conditions classiques,

10,0

m³ de dihydrogène peuvent être produits par heure à la pression atmosphérique. L’intensité du courant électrique nécessaire est de l’ordre de

10

kA.

1. Réaliser un diagramme des conversions d’énergie intervenant dans cette centrale.

Dessinez ici

2. Écrire l’équation de la réaction d’électrolyse de l’eau et les demi‑équations des réactions aux électrodes.

3. Déterminer la valeur de l’intensité du courant utilisé pour l’électrolyse.

Données

Couples d'oxydoréduction : $H^{+} (aq)/H_{2} (g)$ et $H_{2} O(l)/O_{2} (g)$
Constante de Faraday : $F = 9, 65 \times 1 0^{4}$ C·mol^‑1
Volume molaire des gaz à 20 °C : $V_{m} = 24$ L·mol^‑1

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29
Accumulateur au plomb

✔ RAI/ANA : Utiliser et interpréter des documents

La batterie de démarrage d’une automobile est constituée par l’association, en série, de plusieurs éléments d’accumulateurs au plomb. C’est Gaston Planté qui mit au point la première batterie rechargeable en 1859.
Un élément d’accumulateur comprend deux électrodes : l’une est en plomb métallique

Pb(s)

, l’autre est recouverte de dioxyde de plomb

PbO_{2} (s)

. Elles sont immergées dans une solution aqueuse d’acide sulfurique

(2 H^{+} (aq); SO_{4}^{2 -} (aq))

.
Au démarrage d’une voiture, la transformation ayant lieu dans la batterie est :

Pb(s) + PbO_{2} (s) + 4 H^{+} (aq) \to 2 Pb^{2 +} (aq) + 2 H_{2} O(l)

Pour recharger complètement cette batterie, il faut

6

h avec un courant d’intensité égale à

7,8

A.

1. Préciser le rôle joué par l’accumulateur lors du démarrage. En déduire le transfert d’énergie.

2. Cette batterie est déchargée. Écrire les demi-équations aux électrodes lors de la charge de cette batterie.

3. Déterminer l’augmentation de la masse de l’électrode de plomb lors de la charge complète de l’accumulateur.

Données

Couples d'oxydoréduction : $PbO_{2} (s)/Pb^{2 +} (aq)$ et $Pb^{2 +} (aq)/Pb(s)$
Masse molaire du plomb : $M (Pb) = 207, 2$ g·mol^‑1
Constante de Faraday : $F = 9, 65 \times 1 0^{4}$ C·mol^‑1

HISTOIRE DES SCIENCES

Représentation de la première batterie électrique rechargeable

En 1859, le physicien-chimiste Gaston Planté met au point la première batterie électrique rechargeable. Sa batterie repose sur une réaction d’oxydoréduction impliquant du plomb, plongé dans un électrolyte d’acide sulfurique.
Ses travaux ont notamment permis le développement des batteries le siècle suivant, dont la plupart reposent encore aujourd’hui sur ce principe.
À noter : la première voiture à moteur électrique, la Jamais contente, était pourvu de ce type de batterie pour alimenter son moteur. Elle est la première voiture a avoir atteint la vitesse de

100

km·h^‑1 en 1899, supplantant les précédents exploits réalisés avec des moteurs à combustion interne.

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Exercices

Pour s'entraîner

22Formation de plomb

23Réflexion en QCM

Comprendre les attendus

24Constante de Faraday

Détails du barème

25Préparation de l’eau de Javel

26Étamage d’une canette

27 Copie d'élève à commenter

28Stockage de l’énergie solaire

29Accumulateur au plomb

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Formation de plomb

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Réflexion en QCM

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Constante de Faraday

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Préparation de l’eau de Javel

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Étamage d’une canette

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Copie d'élève à commenter

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Stockage de l’énergie solaire

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Accumulateur au plomb