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Forcer l’évolution d’un système chimique |
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DS N° 01 (15 min): Obtention du lithium et de dichlore par électrolyse
Préparation à l’ECE : Cuve à électrodéposition |
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DS N° 02 (30 min) : Obtention du
cuivre par électrolyse Après extraction du cuivre d’un minerai, on peut obtenir des lingots de cuivre, d’une pureté d’environ 99 %. Cette pureté n’est pas
suffisante pour l’utilisation du cuivre comme conducteur électrique qui
nécessite une pureté supérieure à 99,95 %.
- Les lingots de cuivre peuvent être purifiés en réalisant une électrolyse. Lors de cet électroraffinage, l’anode est constituée d’un lingot de cuivre à purifier et la cathode est en cuivre. Le bain électrolytique est une solution contenant de l’acide sulfurique 2 H+
(aq) + SO42–
(aq), et des ions cuivre II Cu2+
(aq).
-
Aucun dégagement gazeux n’est observé
lors de cette électrolyse et
les ions sulfate
SO42–
(aq) sont électro-inactifs. - L’association d’une anode et d’une cathode est appelée une cellule d’électrolyse. La durée de vie des anodes est de 3 à 4 semaines. La tension appliquée est faible, de l’ordre de 0,30 V. La consommation électrique par tonne de cuivre à
purifier est de l’ordre de 250 kWh.
1.
Schématiser et légender une cellule
d’électrolyse branchée aux bornes d’un générateur et
permettant
l’obtention de cuivre purifié.
2.
Indiquer le sens conventionnel du
courant électrique et le sens de déplacement des électrons. 3.
À partir des couples fournis en données,
écrire toutes les équations des réactions
susceptibles de se produire à
l’anode et à la cathode.
4.
À l’aide de la réponse à la question 3.,
justifier que l’équation de la réaction chimique
modélisant la
transformation se produisant lors de l’électrolyse s’écrit : Cu2+ (aq) + Cu (s) → Cu
(s) + Cu2+ (aq)
5.
Expliquer le principe de
l’électroraffinage du cuivre.
Justifier notamment l’expression à anode
soluble.
6.
Vérifier la durée de vie d’une anode
sachant que I = 350 A et que la masse moyenne
d’une anode est de
280 kg.
7.
Vérifier la valeur de la consommation
électrique donnée.
-
Données :
-
H+
(aq) / H2 (g) ; S2O82–
(aq) / SO42–
(aq)
-
Cu2+ (aq) / Cu
(s) ; O2 (g) / H2O
(ℓ)
-
M
(Cu) = 63,5 g . mol–1
-
F
= 96500 C . mol–1
-
Énergie électrique :
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DS N° 01 (15 min): Obtention du
lithium et de dichlore par électrolyse
2.
Valeur de
la surface S de
l’électrode où est formé le lithium.
-
Données :
-
Densités de courant
j de 6,0 et 7,0 kA . m–2
-
6,0 kA . m–2 ≤
j
≤ 7,0 kA . m–2
-
6,0 V ≤ U
≤ 7,5 V
-
F
= 96500 C . mol–1
-
M
(Cℓ) = 35,5 g . mol–1 ;
M (Li)
= 7,0 g . mol–1
-
m
(Li) = 275 kg
-
Durée :
Δt = 1 j = (24 × 3600) s
-
Relation :
-
-
Quantité de matière de lithium obtenu :
-
-
On utilise la demi-équation électronique
qui fait intervenir les électrons et l’élément nickel :
-
-
-
Application numérique :
-
6,0 kA . m–2 ≤
j
≤ 7,0 kA . m–2
-
-
Conclusion :
-
6,3 m2 ≤
S
≤ 7,3 m2
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DS N° 02 (30 min) : Obtention du
cuivre par électrolyse
-
Schéma :
-
Schéma :
-
Espèces présentes :
-
H+
(aq) ; SO42– (aq)
-
Cu2+ (aq) ; Cu
(s) ; H2O (ℓ)
-
À l’anode : Les oxydations
possibles : Une oxydation
cède des électrons :
-
S2O82–
(aq) / SO42– (aq) ;
Cu2+ (aq) / Cu
(s) ; O2
(g) / H2O (ℓ)
-
À la cathode : les réductions
possibles : Une réduction
consomme des électrons.
-
Aucun dégagement gazeux n’est observé
lors de cette électrolyse et les ions sulfate
SO42–
(aq)
sont électro-inactifs.
-
La faible tension appliquée par le
générateur ne permet pas de réaliser d’autres réactions aux
électrodes (
U ≈ 0,30 V)
-
Les réactions qui se produisent
effectivement :
-
Électrolyse à anode soluble :
-
À l’anode, le cuivre métal
Cu
(s) est oxydé en ions cuivre II
Cu2+
(aq).
-
Les ions se retrouvent dans le bain
électrolytique ainsi que les impuretés.
-
À la cathode, les ions cuivre II
Cu2+
(aq) sont réduits en cuivre métal
Cu
(s). - Au cours de l’électrolyse, l’anode est consommée. - Elle diminue de volume alors
que la cathode augmente de volume.
-
Tout se passe comme si le cuivre métal
avait été transporté de l’anode vers la cathode.
-
On parle d’électrolyse à anode soluble.
-
On utilise une tension faible (
U ≈ 0,30 V) pour éviter les
réactions parasites.
6.
Durée de vie Δt d’une anode
-
I = 350 A
-
Masse moyenne d’une anode :
m (Cu)
= 280 kg.
-
Quantité de matière de cuivre :
-
-
Quantité de matière de cuivre Cu
(s) : relation (2)
-
On utilise la demi-équation électronique
qui fait intervenir les électrons et l’élément cuivre :
-
-
En combinant (1) et (2) :
-
-
Application numérique :
-
-
Soit 4 semaines environ.
-
Ce résultat est en accord avec la donnée
de l’énoncé (La durée de vie des anodes est
de 3 à 4 semaines).
7.
Valeur de la consommation électrique :
-
La consommation électrique par
tonne de cuivre à purifier
est de l’ordre de 250 kWh
-
Énergie consommée pour 280 kg
de cuivre à purifier :
-
E = U . I . Δt
-
E ≈ 0,30 × 350 × 6,75 ×102
-
E ≈ 7,1 × 104
Wh
-
E ≈ 71 kWh
-
Pour une tonne :
-
E ≈ 2,53
×102 kWh
-
E ≈ 2,5 ×102
kWh
-
Ce résultat est en accord avec la donnée
de l’énoncé.
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à 
et affecter les termes d’anode et de cathode aux électrodes 
et
.
