T.P. C12 Electrolyses

T.P. C12 : Electrolyses
Objectifs : illustrer le raffinage du cuivre et la protection de l’acier par le zinc par l’électrolyse.
I.- Affinage électrolytique du cuivre
C.1. : Les minerais sulfurés de cuivre (chalcopyrite ou
chalcosine) sont traités par pyrométallurgie (oxydoréduction
à chaud dans les hauts fourneaux). Cette méthode fournit du
« cuivre noir » appelé « blister » contenant 98 % à 99,5 % de
Cu (s). Le cuivre est un métal très prisé pour ses qualités de
conducteur électrique et thermique remarquables (8 kg de
câbles de Cu (s) dans une berline actuelle) et pour sa
résistance à la corrosion ( pompes et canalisations d’eau de
mer). Sa conductibilité électrique varie selon sa pureté et
pour certaines applications, il faut une pureté de l’ordre de
99,99 % (transport des électrons dans les puces en
microélectronique). La teneur en cuivre du blister n’est
souvent pas suffisante pour les applications essentielles du
cuivre : il doit donc être affiné.
Le blister est alors coulé sous forme d’anodes en plaques de 1
m2 de surface et 13 à 50 mm d’épaisseur (m ≈ 350 kg). La
solution électrolytique contient des ions cuivre (II) Cu2+ (aq)
et de l’acide sulfurique H2SO4 et les cathodes sont formées de
minces feuilles de cuivre raffinées (environ 8 kg au départ).
L’électrolyse réalisée permet un dépôt de cuivre sur la
cathode de teneur 99,95 % à 99,99 %.
1) Protocole expérimental
On se propose d’illustrer expérimentalement cet affinage.
E.2. : Décaper très soigneusement, avec un morceau de papier abrasif, un fil de cuivre ainsi qu’une plaque de cuivre.
E.3. : Peser précisément ce fil avec une balance de précision : m1 = . . . . . . . . g.
E.4. : Réaliser un montage comprenant, en série, un générateur de tension continue réglable, un interrupteur, un ampèremètre et
une cellule d’électrolyse constituée du fil de cuivre (anode), de la plaque de cuivre (cathode) plongeant dans un bécher contenant
une solution de sulfate de cuivre (Cu2+ (aq), SO42- (aq)) à 0,10 mol.L-1 acidifiée à l’acide sulfurique. Rajouter un voltmètre aux
bornes des conducteurs métalliques.
E.5. : Installer un agitateur magnétique sous le bécher et introduire dans ce dernier le barreau aimanté. Ajuster la hauteur des
électrodes afin que le barreau ne les touche pas.
S.6. : Faire un schéma de ce montage en précisant les bornes du générateur et des appareils de mesure, le sens conventionnel du
courant, le sens de déplacement des électrons et la nature de chaque électrode.
E.7. : Mettre le générateur sous tension et régler rapidement l’intensité du courant à une valeur fixe I comprise entre 0,1 A et 0,5
A. Déclencher alors le chronomètre et maintenir ce courant à intensité constante I avec agitation pendant la durée t comprise
entre 20 et 30 minutes. Noter les valeurs de l’intensité I maintenue constante ainsi que celle de la durée d’électrolyse :
I = . . . . . . . mA = 0, . . . . . . . A
t = . . . . . . min . . . . . . s = . . . . . . . . s
E.8. : Au bout de la durée t, ouvrir le circuit, extraire les deux conducteurs, les rincer doucement à l’eau distillée et les sécher au
sèche-cheveux.
E.9. : Peser le fil de cuivre avec la balance de précision : m’1 = . . . . . . . . g.
2) Exploitation des résultats
Q.10. : Que constate-t-on ?
Q.11. : Faire l’inventaire des espèces chimiques à l’anode et la cathode. Parmi les couples oxydant / réducteur suivants, quels
sont ceux susceptibles d’intervenir à l’anode et à la cathode ?
Cu2+ / Cu ; S2O82- / SO42-, O2 / H2O et H2O / H2
Q.12. : Compte-tenu des résultats expérimentaux, écrire les équations des demi-équations électroniques se produisant à l’anode
et à la cathode. En déduire l’équation de la réaction d’électrolyse.
Q.13. : Calculer la quantité de d’électricité Q (en C) qui a traversé le circuit pendant la durée t à intensité constante I.
Q.14. : En déduire la quantité de matière d’électrons (en mol) ayant traversé le circuit pendant cette durée t.
Q.15. : Déterminer la quantité de matière d’atomes de cuivre (en mol) perdus à l’anode. En déduire la perte de masse théorique
∆m de l’anode. Comparer cette valeur à celle de m1 – m’1. Conclure.
Q.16. : Justifier l’appellation de procédé à « anode soluble » parfois employé pour cette technique.
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II.- Electrozingage de l’acier
C.17. : Le zinc est principalement utilisé pour lutter contre la
corrosion. En couche mince, il sert à la protection du fer et de
l’acier. Ce dépôt en couche mince peut être réalisé de différentes
façons :
- par galvanisation : la pièce à protéger est alors
trempée dans du zinc en fondu.
- par dépôt électrolytique : la pièce à protégée est alors
la cathode dans un montage d’électrolyse.
Cette seconde méthode tend à se développer car elle permet de
bien contrôler la qualité du dépôt.
1) Protocole expérimental
E.18. : Décaper très soigneusement, avec un morceau de papier abrasif, une plaque de zinc et une plaque d’acier. Les rincer
abondamment à l’eau distillée.
E.19. : Plonger la pièce d’acier dans un bécher contenant 50 mL d’acide chlorhydrique à 2 mol.L-1 (attention : blouse fermée,
lunette de protection sur les yeux et gants) pendant 1 minute environ. Rincer à l’eau distillée et sécher au papier absorbant.
E.20. : Avec de l’adhésif isolant (type scotch ®), recouvrir la face de la cathode d’acier qui ne sera pas en regard de l’anode ainsi
que la majeure partie de la face en regard de l’anode à l’exception d’un rectangle de 2 cm sur 2 cm (le plus précisément
possible).
E.21. : Mesurer avec précision les masses mA et mC de l’anode (zinc) et de la cathode (acier) :
mA = . . . . . . . g et mC = . . . . . . . . g
E.22. : Réaliser un montage comprenant, en série, un générateur de tension continue réglable, un interrupteur, un ampèremètre et
une cellule d’électrolyse constituée de la plaque de zinc (anode), de la plaque d’acier (cathode) plongeant dans un bécher
contenant 50 mL de solution de chlorure de zinc (Zn2+ (aq), 2Cl- (aq)) à 0,5 mol.L-1 et 60 mL de solution de chlorure
d’ammonium (NH4+ (aq), Cl- (aq)) à 3 mol.L-1. Rajouter un voltmètre aux bornes des conducteurs métalliques.
E.23. : Installer un agitateur magnétique sous le bécher et introduire dans ce dernier le barreau aimanté. Ajuster la hauteur des
électrodes afin que le barreau ne les touche pas.
S.24. : Faire un schéma de ce montage en précisant les bornes du générateur et des appareils de mesure, le sens conventionnel du
courant, le sens de déplacement des électrons et la nature de chaque électrode.
Q.25. : Pour que le dépôt soit correct, il faut que la pièce d’acier soit traversée par un courant de densité électrique de 1,5 A par
dm2 de surface. Calculer l’intensité qu’il faut établir dans le circuit.
E.26. : Mettre le générateur sous tension et régler rapidement l’intensité du courant à la valeur fixe I déterminée précédemment.
Déclencher alors le chronomètre et maintenir ce courant à intensité constante I avec agitation pendant la durée t de 30 minutes
environ. Noter les valeurs de l’intensité I maintenue constante ainsi que celle de la durée d’électrolyse :
I = . . . . . . . mA = 0, . . . . . . . A
t = . . . . . . min . . . . . . s
E.27. : Au bout de la durée t, ouvrir le circuit, extraire les deux conducteurs, les rincer doucement à l’eau distillée et les sécher
au sèche-cheveux.
E.28. : Peser les deux plaques avec la balance de précision : m’A = . . . . . . . . g et m’C = . . . . . . . g.
2) Exploitation des résultats
Q.28. : Que constate-t-on ?
Q.29. : Compte-tenu des résultats expérimentaux, écrire les équations des demi-équations électroniques se produisant à l’anode
et à la cathode. En déduire l’équation de la réaction d’électrolyse.
Q.30. : La teneur en ions zinc (II) Zn2+ (aq) dans la solution varie-t-elle au cours du zingage ? Justifier la réponse.
Q.31. : Calculer la quantité d’électricité Q (en C) qui a traversé le circuit pendant la durée t à intensité constante I.
Q.32. : En déduire la quantité de matière d’électrons (en mol) ayant traversé le circuit pendant cette durée t.
Q.33. : Déterminer la quantité de matière d’atomes de zinc (en mol) déposés à la cathode. En déduire le gain de masse théorique
∆m de la cathode. Comparer cette valeur à celle de m’C – mC. Conclure.
Q.34. Calculer mA – m’A et comparer cette valeur à celle de m’C – mC. Conclure.
Q.35. : En déduire l’épaisseur de la couche de zinc déposée. Cette valeur correspond-t-elle à la réalité ? Justifier.
Q.36. : Les ions zinc (II) Zn2+ (aq) sont susceptible de précipiter en hydroxyde de zinc Zn(OH)2 (s) si le pH de la solution
dépasse 6,5 à 25 °C. Quel est ici le rôle de la solution de chlorure d’ammonium ?
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