La purification des métaux par électrolyse est possible grâce à l'emploi d'une anode soluble. Le métal impur constitue l'anode : ce métal subit une oxydation et passe à l'état d'ion en solution. Les impuretés libérées tombent au fond de l'électrolyseur ou restent en suspension dans la solution.

A la cathode les ions cuivre II en solution subissent une réduction, le métal très pur se dépose. La solution électrolytique contient des ions cuivre II Cu²⁺(aq), des ions sulfate et de l'acide sulfurique.

Partie 1 :

1. Compléter le schéma ci-dessous en indiquant le sens du courant, le sens de déplacement des électrons, des ions positifs ( cations) des ions négatifs ( anions), l'anode et la cathode.
2. La transformation qui se produit lors d'une électrolyse est-elle une réaction d'oxydoréduction spontanée ou forcée ? Justifier.
3. Ecrire les équations des transformations qui se déroulent aux éléectrodes.
4. En déduire l'équation de la réaction d'oxydoréduction qui se déroule dans l'électrolyseur.
5. Pourquoi qualifie-t-on cette électrolyse d'électrolyse " à anode soluble " ?
6. La concentration en ion cuivre II de la solution électrolytique varie-t-elle au cours du temps ? Justifier.
7. En fonction du pH de la solution dans laquelle il se trouve, l'élément cuivre en solution peut exister sous deux formes : Cu²⁺(aq) et Cu(OH)₂ (s). On donne ci-dessous le diagramme de prédominance de l'ion cuivre II.

   Expliquer qualitativement pourquoi on ajoute de l'acide sulfurique dans la solution électrolytique ?

Partie 2 :

A l'aide du montage décrit dans la patie 1, on désire déposer par électrolyse une couche de cuivre sur une plaque d'acier. Lors de l'éectrolyse d'une durée Dt= 30,0 min, l'intensité du courant est constante et vaut I= 400 mA. M(Cu) = 63,5 g/mol ; N_A=6,02 10²³ mol^-1 ; e= 1,60 10^-19 C.

1. La plaque d'acier doit-elle jouer le rôle de cathode ou d'anode ?
2. Exprimer la quantité d'électricité Q qui a traversé le circuit pendant l'électrolyse en fonction de I et Dt.
3. Exprimer Q en fonction de n_e ( quantité de matière d'électrons transférés au cours de l'électrolyse), N_A et e.
4. Exprimer n_e en fonction de n_Cu ( quantité de matière de cuivre formé).
5. En déduire l'expression littérale de n_Cu, de m_Cu, masse de cuivre formé. Calculer m_Cu.
6. On observe en réalité lors de cette électrolyse une variation de masse de la lame de cuivre |Dm|=2,41 10^-1 g. Proposer une explication.

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corrigé

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L'électrolyse est une réaction d'oxydoréduction forcée ; elle nécessite un apport d'énergie sous forme d'énergie électrique.

équations des transformations aux électrodes :

anode positive ( oxydation) : Cu (s) = Cu²⁺ + 2e^-.

cathode négative ( réduction) : Cu²⁺ + 2e^- = Cu(s)

bilan : Cu (s) + Cu²⁺ = Cu(s) + Cu²⁺ .

anode soluble : le cuivre de l'électrode s'oxyde en ion Cu²⁺(aq) ; le métal de l'anode disparaît.

Evolution de la concentration de la solution en ion Cu²⁺ :

lorsqu'un ion cuivre II est réduit à la cathode, un ion cuivre II apparaît lors de l'oxydation à l'anode : en conséquence la concentration en ion cuivre II ne change pas.

rôle de l'acide sulfurique :

à pH supérieur à 5, on observe la précipitation de Cu(OH)₂ ; le milieu doit avoir un pH inférieur à 5 : c'est le rôle de l'acide sulfurique ( d'autre part l'ion sulfate reste spectateur)

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la plaque d'acier doit se recouvrir de métal cuivre : elle joue le rôle de cathode ; sur cette plaque d'acier les ions cuivre II sont réduits en cuivre.

Quantité d'électricité ( C) notée Q : intensité ( A) fois durée ( seconde)

Q= I Dt

De plus Q= n_e N_Ae avec n_e quantité de matière (mol) d'électron et e : charge élémentaire

ou N_Ae = 1 faraday : en valeur absolue, charge d'une mole d'électrons.

or à la cathode : Cu²⁺ + 2e^- = Cu(s) d'où n_e = 2 n_Cu.

par suite : n_Cu = ½n_e=½It / ( N_Ae )

masse de cuivre déposée sur l'acier : quantité de matière (mol) de cuivre * masse molaire (g/mol)

m_Cu=n_Cu M(Cu) = ½n_eM(Cu) = ½It M(Cu) / ( N_Ae )

m_Cu=0,5*0,4*30*60*63,5 / (6,02 10²³*1,60 10^-19) = 2,37 10^-1 g.

Dans la réalité, à la cathode d'autres espèces présentes ( H₂O, ion oxonium) peuvent être réduites et concurence un peu la réduction des ions cuivre II.

En conséquence la masse de cuivre déposée est inférieure à la masse théorique.

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