TP : Exemples de transformations forcées, et applications

Objectifs

  • Montrer que l'on peut forcer une transformation.
  • Effectuer un bilan quantitatif d'une électrolyse.

Prérequis

Il a été étudié :

  • la possibilité d'observer un transfert d'électrons en sens inverse de celui ayant lieu lors de la transformation spontanée.
  • la notion d'électrolyse (définition, réactions aux électrodes, anode, cathode, etc.).

Présentation de la démarche

  • Réaliser des transformations en imposant le sens de déplacement des électrons : électrolyse d'une solution de bromure de cuivre (II) et électrolyse de l'eau en milieu acide.
  • Écrire les différentes réactions pouvant avoir lieu aux électrodes ; à l'aide des observations expérimentales, indiquer celles qui ont effectivement lieu.
  • Vérifier, lors de l'électrolyse de l'eau, que le volume de dioxygène mesuré expérimentalement est compatible avec la valeur calculée dans les conditions de l'expérience.

Matériel et produits
  • Éprouvette graduée de 250 mL
  • Pissette d'eau distillée
  • 1 pipette simple avec caoutchouc,
  • sol. de nitrate d’argent AgNO3,
  • 3 tubes à essais + porte-tubes + 1 bouchon,
  • portique + noix + pinces + U en verre pour électrolyse,
  • 2 électrodes de graphite + support + 2 pinces crocodile,
  • 1 générateur PIERRON 0-30 V ajustable / 5 A,
  • 1 multimètre en ampèremètre,
  • 1 fil électrique rouge + 2 fils électriques noirs,
  • interrupteur
  • Électrolyseur avec électrodes en platine ou nickel
  • 1 éprouvette graduée de 25 mL,
  • chronomètre,
  • allumettes.
  • 2 Tubes à essai gradués ou éprouvettes graduées
  • Agitateur
  • 1 thermomètre indiquant la température de la salle,
  • ½ L d’eau de dibrome concentrée (orangée),
  • copeaux de cuivre,
  • cyclohexane, verseur réglé sur 1 mL,
  • ½ L solution de bromure de cuivre C = 1 mol.L-1,
  • Acide sulfurique de concentration molaire 2,0 mol.L-1

1. Electrolyse du bromure de cuivre II.

1. Transformation spontanée (il est conseillé de réaliser cette manipulation sous la hotte !)

Observer et décrire la transformation réalisée lors de l’expérience suivante : (agiter vigoureusement chaque tube à essai !)

Récupérer les copeaux de cuivre en fin de manipulation, les rincer et les faire sécher sur un papier filtre !

Conclusion : Ecrire l'équation de la réaction associée à cette transformation chimique spontanée.

2. Electrolyse
Verser environ 20 mL d’une solution de bromure de cuivre dans le tube en U.
Réaliser l’électrolyse de la solution de bromure de cuivre en reliant les deux électrodes en graphite à un générateur de tension continue (1 V minimum) après avoir ajouté un peu de cyclohexane à l’électrode reliée à la borne (+) du générateur.
Noter vos observations et conclure.

1. A partir de l'inventaire des espèces chimiques présentes dans la solution, écrire la réaction électronique qui se produit à chaque électrode.
2. Noter les phénomènes observés, donner le nom de l'espèce chimique colorée mise en évidence et expliquer la technique utilisée pour mettre en évidence cette espèce chimique.
3. Faire le schéma du montage électrique et y faire figurer le sens de déplacement des porteurs de charge et celui du courant électrique imposé par le générateur.
4. Au vu des observations et du sens de circulation des électrons, indiquer les réactions qui se produisent effectivement aux électrodes.
5. Préciser la nature des réactions et attribuer les noms (cathode ou anode) aux électrodes.
7. Ecrire l'équation globale associée à la transformation électrochimique réalisée.
8. Comparer le sens de cette transformation à celui de la transformation spontanée.
9. Comment expliquer que cette transformation non spontanée puisse se produire ?

Données : Couples ox / réd : O2(g)/H2O ; H2O/H2(g) ; Cu2+(aq)/Cu(s) ; Br2(aq)/Br-(aq).

2. Aspect quantitatif d'une électrolyse : électrolyse de l'eau en milieu acide

1. Manipulation
  • Introduire 250 mL d'eau permutée (ou distillée) dans l'électrolyseur.
  • Remplir les tubes gradués avec de l'eau distillée et les retourner, sans bulles d'air, sur les électrodes.
  • Fixer les tubes gradués en les relevant légèrement au dessus des électrodes.
  • Ajouter 50 mL d'acide sulfurique dans la cuve de l'électrolyseur.
  • Homogénéiser la solution à l'aide d'un agitateur et ce, particulièrement entre les électrodes.
  • Ajuster la tension aux bornes du générateur pour que l’intensité du courant soit de l’ordre de 0,3 A
  • Réaliser le montage en série comprenant : un générateur de tension continue réglable, un électrolyseur, un multimètre utilisé en mode ampèremètre, un interrupteur.
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    • Fermer l'interrupteur tout en déclenchant le chronomètre.
    • Relever la valeur de l'intensité du courant et la maintenir constante.
    • Observer.
    • Arrêter l'électrolyse, lorsque le volume dégagé à une électrode est conséquent et noter la durée de l'électrolyse.
    • Mesurer les valeurs des volumes dégagés à l'anode et à la cathode.
    • Identifier les gaz formés.
    • Relever la valeur de la température du laboratoire et de la pression atmosphérique

    2. Questions

    Données : Couples oxydant/réducteur
    O2(g)/H2O    H+(aq)/H2(g)    S2O82-(aq)/SO42-(aq)  SO42-(aq)/SO2(aq)
    Constante des gaz parfait : R = 8,32 J.K-1.mol-1 Equation d'état des gaz parfaits P.V = n.R.T
    Constante d’Avogadro : NA = 6,02.1023 mol-1
    Charge élémentaire : e = 1,6. 10-19 C

    1. Calculer le volume molaire à la température et à la pression du laboratoire.
    2. A partir de l'inventaire des espèces chimiques présentes dans la solution, écrire les équations de réaction possibles à chaque électrode.
    3. Au vu des observations et du sens de circulation des électrons, indiquer les réactions qui se produisent aux électrodes.
    4. Établir l'expression de la quantité d’électrons ayant circulé dans le circuit pendant le temps t en fonction de l'intensité du courant qui a circulé dans le circuit.
    5. Établir le tableau descriptif de l'évolution du système à l'anode.
    6.Vérifier que le volume de dioxygène mesuré expérimentalement est en accord avec la valeur calculée dans les conditions de l'expérience.