Term Spécialité PC • Constitution et transformation de la matière DOSSIER 10 L’

Term Spécialité PC • Constitution et transformation de la matière DOSSIER 10 L’ÉLECTROLYSE ET LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES Term Spécialité PC • Constitution et transformation de la matière L’ÉLECTROLYSE ET LES APPLICATIONS 1 Objectifs Modéliser et schématiser, à partir de résultats expérimentaux, les transferts d’électrons aux électrodes par des réactions électrochimiques. Déterminer les variations de quantité de matière à partir de la durée de l’électrolyse et de la valeur de l’intensité du courant. Identifier les produits formés lors du passage forcé d’un courant dans un électrolyseur. Relier la durée, l’intensité du courant et les quantités de matière de produits formés. Terminale spécialité - Sciences physiques et chimiques Constitution et transformations de la matière Thème 3 • Prévoir l’état final d’un système, siège d’une transformation chimique. Partie C • Forcer le sens d’évolution d’un système. Notions et contenus Passage forcé d’un courant pour réaliser une transformation chimique. Constitution et fonctionnement d’un électrolyseur. Compétences mobilisées S’approprier APP Analyser ANA Raisonner RAI Réaliser REA Valider VAL Communiquer COM © Nathan L’ÉLECTROLYSE, UN PROCESS LARGEMENT RÉPANDU Malgré son coût énergétique, l’électrolyse est lar­ gement utilisée dans l’industrie chimique, notam­ ment pour préparer et purifier des métaux et non-métaux. D’autres applications jouent éga­ lement un rôle important dans l’industrie de l’électrolyse. Les procédés de fabrication d’alumi­ nium Al, de dichlore Cl2, de dihydrogène H2 ou d’eau oxygénée H2O2 utilisent cette technologie. L’électrolyse trouve aussi sa place dans d’autres domaines comme ceux de la protection contre la corrosion ou de la conservation d’anciens objets (en archéologie notamment). Cette activité a pour but de décrire le fonctionnement d’une électrolyse et d’illustrer ses domaines d’applications. Décomposition de l’eau par le courant électrique. © http://le.compendium.pages perso-orange.fr/voltametres.htm David Soissons INDUSTRIELLES 10 DOSSIER 2 © Nathan Term Spécialité PC • Constitution et transformation de la matière DOSSIER 10 L’ÉLECTROLYSE ET LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES POUR BIEN DÉMARRER ! Choisir la ou les bonnes réponses : Questions Réponse A Réponse B Réponse C 1.  Un oxydant : cède un électron e- capte électron e- cède un ion H+ 2.  À la cathode se produit : une oxydation. une réduction. une réaction acido-basique. 3.  Dans les fils électriques, les porteurs de charge sont : les ions. les électrons. les atomes. 4.  Soit la demi-équation électronique suivante : MnO4-(aq) + 8H+(aq)+ 5e- = Mn2+(aq) + 4H2O(l) a)  Il s’agit : d’une réduction. d’une oxydation. d’une réaction acido-basique. b)  L’oxydant est : H+ MnO4-(aq) Mn2+(aq) c)  Le couple d’oxydo- réduction s’écrit : H2O / H3O+ Mn2+(aq) / MnO4-(aq) MnO4-(aq) / Mn2+(aq) 5.  Si pour un équilibre donné Qr < K alors, le système évolue dans le sens direct. le système évolue dans le sens indirect. le système est à l’état d’équilbre. 3 © Nathan Term Spécialité PC • Constitution et transformation de la matière DOSSIER 10 L’ÉLECTROLYSE ET LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES Document 1 : L’électrolyse, une transformation forcée Les travaux de Svante August Arrhenius (chimiste suédois, 1859-1927), Prix Nobel de chimie en 1903 sur la dissociation électrolytique, constituent les bases de la chimie physique et de l’électrochimie. Il prouve que dans les solutions électrolytiques, les composés chimiques dissous sont dissociés en ions, même en l’absence de courant traversant la solution. Dans le cas d’une pile, un transfert spontané et indirect d’électrons a lieu entre le réducteur d’un couple oxydant/réducteur et l’oxydant d’un autre couple, par l’inter­ médiaire d’un circuit électrique. La réaction d’oxydoréduction qui a ainsi lieu crée un courant dans le circuit. La transformation de l’énergie chimique en énergie élec­ trique s’effectue spontanément, sans avoir besoin de forcer la réaction. Une réaction d’électrolyse permet à l’inverse la conversion d’énergie électrique en énergie chimique, en utilisant les électrons fournis par un générateur de courant continu et par conséquent un transfert d’électrons entre le réducteur et l’oxydant. Une électrolyse est utilisée lorsque les réactifs de départ ne peuvent évoluer sponta­ nément pour former les produits souhaités. D’après CNRS, www.cnrs.fr/cnrs-images/chimieaulycee/THEMES/electrolyse/principe.htm Partie A : Fonctionnement d’un électrolyseur 1  APP Définir ce que l’on appelle solution électrolytique. ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... 2  ANA/RAI Préciser les grandes différences entre une pile et une électrolyse. ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... 3  ANA/RAI/VAL Justifier pourquoi on parle de transformation forcée. ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... 4 © Nathan Term Spécialité PC • Constitution et transformation de la matière DOSSIER 10 L’ÉLECTROLYSE ET LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES Document 2 : Mise en évidence expérimentale Le professeur réalise sous hotte l’électrolyse d’une solution de bromure de cuivre dont le schéma est donné ci-contre : Données : -  l’élément cuivre métallique est solide de cou­ leur rouge-orangée ; -  l’eau de brome contient le brome diatomique Br2 dissous dans l’eau, formant un mélange orange intense ; - couples Ox/Red : Cu2+(aq)/Cu(s) ; Br2(aq)/Br-(aq). 4  ANA/RAI Établir l’équation de la réaction d’oxydoréduction susceptible de se produire dans la solution. ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... 5  REA Exprimer puis calculer le quotient réactionnel initial Qr,0 associé à la réaction. ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... 6  RAI/VAL Sachant que la valeur du quotient réactionnel à l’équilibre vaut Qr,éq = K = 8,3 x 10-26, discuter de l’avancement de la réaction. Valider à partir de l’expérience. ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... 7  ANA/RAI Le professeur met en route l’électrolyse en allumant le générateur. Noter les observations puis préciser les espèces chimiques produites aux électrodes. ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... 8  ANA/RAI Établir l’équation des demi-réactions électroniques ayant lieu aux électrodes A et B en précisant s’il s’agit d’une réduction ou d’une oxydation. ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... 9  RAI/VAL Représenter alors sur le schéma Document 2 le sens de circulation des électrons dans les fils et vérifier la cohérence avec la polarité du générateur. ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... 5 © Nathan Term Spécialité PC • Constitution et transformation de la matière DOSSIER 10 L’ÉLECTROLYSE ET LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES 10  APP Indiquer les avantages de l’utilisation de l’aluminium dans l’industrie. ..................................................................................................................................................................................... 11  ANA/RAI Établir la réaction de dissolution de l’alumine dans le mélange fluoré de cryolithe. On rappelle que l’ion formé par l’oxygène est l’ion oxyde O2-. ..................................................................................................................................................................................... 12  APP/ANA/RAI Établir, à l’aide de la Figure 1 du Document 3, les équations ayant lieu aux électrodes. ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... 13  ANA/RAI Déduire l’équation de la réaction symbolisant le procédé Hall-Héroult à partir de l’alumine. ..................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................................... Document 3 : Comment faire des casseroles avec de la bauxite ? La bauxite est un minerai qui tient son nom du village les Baux-de-Provence dans les Bouches-du-Rhône. Broyé et traité à la soude par le procédé Bayer, on purifie la bauxite après précipitation et calcination afin d’obtenir l’alumine Al2O3 qui va servir à préparer le métal. L’aluminium est un métal léger de faible densité (2,7) et reste brillant grâce à une couche très fine transparente de son oxyde Al2O3 stable qui le protège de la corrosion. C’est pourquoi on l’utilise pour faire des ustensiles de cuisine, des canettes et même des avions et automobiles. Ce fut un jeune ingénieur français, Paul-Louis Tous­ saint Héroult qui, dans la tannerie familiale, eut l’idée en 1885, de dissoudre l’alu­ mine issue de la bauxite, dans un mélange fluoré de cryo­ lithe AlNa3F6 + CaF2 qui reste liquide à 950 °C. Puis, à l’aide d’une des premières dynamos de Gramme, il fit subir à ce mélange une électrolyse avec des électrodes en carbone pour obtenir à la cathode de l’aluminium liquide. À des milliers de kilomètres, Charles Martin Hall aux États-Unis eut la même idée, d’où le procédé maintenant utilisé dit Hall-Héroult. D’après Médiachimie, « Comment-faire-des-casseroles-avec-de-la-bauxite », www.mediachimie.org/ressource/comment-faire-des-casseroles-avec-de-la-bauxite- lélectrolyse Figure 1 : Schéma de l’électrolyse lors du procédé Hall-Héroult Partie B : Applications de l’électrolyse 1. PRODUCTION DE L’ALUMINIUM PAR ÉLECTROLYSE 6 © Nathan Term Spécialité PC • Constitution et transformation de la matière DOSSIER 10 L’ÉLECTROLYSE ET LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES 14  RAI/REA Reproduire la Figure 1 en précisant la polarité de la pile et le sens de circulation des électrons. Document 4 : Production d’aluminium dans le monde En 1887, Alfred Rangod, dit Péchiney, dans son usine de Salindres lance la production industrielle. L’entreprise « Péchiney » devint un fleuron de l’industrie avec une maî­ trise internationale des cuves d’électrolyse dont les dernières vers 1990. Par exemple, la AP 50 fonctionne sous 4 V et 300 000 A et délivre une puissance P = 1200 kW. La production de globale d’une tonne d’aluminium depuis le traitement de la bau­ xite dégage 3,5 t de CO2. Le recyclage du métal est source d’une grande économie d’énergie et limite le rejet de CO2 car l’aluminium de seconde fusion n’exige que 3 MWh/t et ne dégage qu’une tonne de CO2. D’après Médiachimie, « Comment-faire-des-casseroles-avec-de-la-bauxite » Document 5 : Charge électrique Lors d’une électrolyse, lorsque le générateur débite un courant d’intensité I constante pendant une durée ∆t, une charge électrique Q traverse l’électrolyseur : Q = I × ∆t avec Q en coulomb (C) ; I en ampère (A) et ∆t en seconde (s). Cette charge électrique Q est telle que : Q = n(e–) × NA× e avec n(e–) ; la quantité d’électrons échangés, en mole ; NA = uploads/Industriel/ nat-tspe-d10-electrolyse.pdf

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• Publié le Aoû 19, 2022
• Catégorie Industry / Industr...
• Langue French
• Taille du fichier 1.7317MB