Un exercice complet sur l'oxydoréduction : spontané ou forcé

Cet exercice de 6,5 points du bac S Antilles-Guyane rattrapage 2010 suit le zinc à travers trois expériences : une transformation spontanée par contact direct, une pile zinc-aluminium, puis une électrolyse d'une solution d'iodure de zinc. Le bilan final demande de classer ces trois transformations, ce qui en fait un excellent exercice de synthèse sur les piles, l'électrolyse et le critère d'évolution spontanée.

Première expérience : quotient de réaction et critère d'évolution

La question 1.1 rappelle une règle souvent oubliée : les solides Zn et Cu n'apparaissent pas dans le quotient de réaction, qui s'écrit Qr = [Zn²⁺]/[Cu²⁺]. En 1.2, il faut tenir compte de la dilution dans le mélange : les deux concentrations sont divisées par le volume total, qui se simplifie, et l'on obtient Qr,i = 0,50. Utiliser directement les concentrations des solutions mères donnerait 1, ce qui est faux. En 1.3, la comparaison Qr,i = 0,50 < K = 2 × 10³⁷ montre une évolution dans le sens direct, cohérente avec la décoloration de la solution bleue et le dépôt rougeâtre de cuivre sur la lame de zinc.

Deuxième expérience : la pile zinc-aluminium

Le schéma de la pile associe chaque lame métallique à la solution de son propre cation, les deux demi-piles étant reliées par un pont salin. L'équation de fonctionnement montre que les ions Zn²⁺ sont réduits et que l'aluminium est oxydé : la lame de zinc est donc la borne positive, la lame d'aluminium la borne négative, et les électrons circulent de l'aluminium vers le zinc dans le circuit extérieur. Le corrigé insiste sur un point classique : les électrons ne traversent jamais les solutions ni le pont salin, où ce sont les ions qui assurent le passage du courant.

La partie quantitative donne n(Zn²⁺)i = 3,0 × 10^-2 mol et n(Al)i = 0,11 mol. Le tableau d'avancement, présenté en deux parties, conduit à un réactif limitant Zn²⁺ et à xmax = 1,0 × 10^-2 mol. La dernière colonne du tableau, n(e^-) = 6x, permet d'obtenir la quantité maximale d'électricité Qmax = 6 xmax F, soit 5,8 × 10³ C.

Troisième expérience : l'électrolyse de l'iodure de zinc

La teinte orange autour de l'électrode B signale la formation de diiode par oxydation des ions iodure : B est l'anode. Le dépôt de zinc sur A correspond à la réduction des ions Zn²⁺ : A est la cathode. À partir des 1,50 g de zinc déposés, on trouve une quantité d'électrons de 4,59 × 10^-2 mol, une charge Q = 4,43 × 10³ C et une durée de 8,85 × 10³ s, soit environ 2 h 28 min avec une intensité de 500 mA.

Pièges et conseils

Les erreurs fréquentes sont bien identifiées : oublier le facteur 2 entre électrons et zinc déposé, laisser l'intensité en milliampères ou le volume en millilitres, comparer les quantités initiales sans diviser par les nombres stœchiométriques. Le bilan final se retient facilement : les expériences 1 et 2 sont spontanées et libèrent de l'énergie, tandis que l'électrolyse est forcée et nécessite l'apport d'énergie d'un générateur. Faites le sujet en temps limité, environ 1 h 18, puis comparez votre copie au corrigé question par question.