Oui
Électrolyse
Équilibre et sens d'évolution
Piles et oxydoréduction
Sujet Bac Corrigé - Zinc et électrolyse - Bac S Amérique du Nord 2005 (ancien programme) - Ex 2 - Corrigé (Physique-chimie)
1 juin 2005
Bac S (ancien programme)
Cet exercice de chimie de 7 points du Bac S 2005 Amérique du Nord suit le zinc dans deux expériences : une transformation spontanée avec les ions fer (II), puis une électrolyse qui recouvre le fer de zinc.
- écrire les demi-équations et calculer des quantités de matière ;
- utiliser le quotient de réaction et le critère d'évolution spontanée pour lire des histogrammes ;
- compléter un tableau d'avancement et l'histogramme de l'état final ;
- décrire une électrolyse : porteurs de charge, anode, cathode, zingage ;
- relier quantité d'électricité, électrons échangés et variation de masse.
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À propos du zinc : quotient de réaction et électrolyse
Ce long exercice de chimie, noté sur 7 points, est le plus lourd du sujet du bac S 2005 Amérique du Nord. Il réunit deux grands chapitres de l'ancien programme : l'évolution spontanée d'un système chimique, étudiée à l'aide du quotient de réaction, et l'électrolyse, transformation forcée. Il demande environ une heure et demie et beaucoup de soin dans les calculs de quantités de matière.
Demi-équations et quantités initiales
On commence par écrire les deux demi-équations : réduction des ions fer (II) en fer et oxydation du zinc en ions zinc (II). Leur somme redonne l'équation de la réaction, avec deux électrons échangés de chaque côté. Les quantités initiales se calculent par n = c × V avec le volume de chaque solution prélevée : 1,00 × 10-2 mol d'ions fer (II) et 2,00 × 10-2 mol d'ions zinc (II). Le piège est d'utiliser le volume total du mélange ou de laisser les volumes en millilitres.
Quotient de réaction et critère d'évolution
Les solides n'apparaissent pas dans le quotient de réaction, et le volume commun se simplifie : Qr,i = 2,00. Cette valeur désigne l'état E2 comme état initial. Comme Qr,i est très inférieur à K = 1,40 × 1011, le système évolue dans le sens direct. Les états E1 et E3 donnent respectivement Qr = 5,0 et 1,0 : seul E1, pour lequel Qr a augmenté depuis 2,00, peut être un état intermédiaire. On peut aussi raisonner sur les quantités : E3 contient plus d'ions fer (II) qu'au départ, ce qui est impossible.
Tableau d'avancement et histogramme final
Avec 0,100 mol de chaque métal et un avancement final de 1,00 × 10-2 mol, l'ion fer (II) est entièrement consommé : la transformation est quasi totale. L'état final contient 0,0300 mol d'ions zinc (II), soit une concentration de 0,100 mol/L dans 300 mL. Attention : la figure 4 est graduée en concentrations, pas en quantités de matière comme les trois premières.
Partie B : l'électrolyse
Dans les fils, les électrons sortent de la borne négative et arrivent à l'électrode de fer ; dans la solution, ce sont les ions qui assurent le courant, cations vers le fer et anions vers le zinc. Sur le fer se produisent deux réductions, celle des ions H+ en dihydrogène et celle des ions zinc (II) en zinc : le fer est la cathode. Le dépôt de zinc protège le fer de la corrosion. À l'anode, c'est le zinc lui-même qui s'oxyde : l'électrode de zinc s'amincit. Un rappel utile : une électrode se nomme d'après la réaction qui s'y produit, jamais d'après le signe de la borne.
Électrolyse à anode soluble : bilan quantitatif
En sommant les demi-équations, on montre que le zinc est simplement transporté de l'anode vers la cathode. La quantité d'électricité vaut Q = IΔt = 3,0 × 102 C, d'où 3,1 × 10-3 mol d'électrons, et deux électrons par atome de zinc oxydé. L'électrode de zinc perd environ 0,10 g. Les erreurs fréquentes : laisser la durée en minutes et oublier le facteur 2.
Conseils
Soignez les chiffres significatifs, écrivez toujours les relations littérales avant les applications numériques et vérifiez les unités des axes des histogrammes avant de les compléter.