Cours en ligne Physique-Chimie en Terminale

Chapitres Physique-Chimie en Terminale Générale

Exercices corrigés sur l’évolution forcée en terminale

Cours en ligne de Physique-Chimie en Terminale

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Exercice sur l’évolution forcée : électrolyse

Question 1 : Le dioxygène réagit spontanément, de façon explosive, avec le dihydrogène. La réaction forcée est l’électrolyse de l’eau. Vrai ou faux ?

Question 2 : Dans une électrolyse, une électrode est reliée à la borne négative d’un générateur.

Quelle est la bonne proposition ?

a. Les électrons arrivent à cette électrode et les cations se dirigent vers elle dans la solution.

b. Les électrons arrivent à cette électrode et les anions se dirigent vers elle dans la solution.

c. Les électrons sortent de cette électrode et les cations la fuient dans la solution.

d. Les électrons sortent de cette électrode et les anions la fuient dans la solution.

Question 3 : Électrolyse de l’eau.

L’eau apparaît dans deux couples d’oxydo-réduction

$\mathrm{H_2O_{(l)}/H_{2(g)}}$ et $\mathrm{O_{2(g)}/H_2O_{(l)}}$

Écrire les deux demi-équations. Équilibrer ces demi-équations avec l’ion hydroxyde au lieu de l’ion hydrogène.

En déduire la réaction d’électrolyse de l’eau.

On observe un dégagement gazeux à chaque électrode, le volume à l’électrode C est deux fois plus grand que celui à l’électrode A. Que désignent ces lettres A et C, quelle est la nature des deux gaz et expliquer pourquoi les volumes sont dans un rapport 2.

L’électrolyse de l’eau pure est extrêmement lente. Pourquoi ?

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Exercice sur l’évolution forcée: Accumulateur nickel-cadmium

On donne les couples $\mathrm{Cd(OH)_{2(s)}/Cd}$ et $\mathrm{NiO(OH)_{(s)}/Ni(OH)_{2(s)}}$

On donne $\mathcal{F}=96,5\cdot 10^3~\mathrm{C\cdot mol^{-1}}$ et $M_{\mathrm{Cd}}=112,4~\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$

On réalise un accumulateur utilisant ces espèces.

Le cadmium solide réagit spontanément avec le $\mathrm{Ni(OH)_{2(s)}}$

Écrire les équations des réactions de charge et de décharge de l’accumulateur.

Lorsque l’accumulateur est complètement chargé, l’électrode de cadmium a une masse $m=5,0~\mathrm{g}$ .

Quelle est la capacité maximale $Q$ de l’accumulateur ?

L’accumulateur étant à moitié déchargé, on veut que sa recharge dure $\Delta t=1~\mathrm{h}$ .

Quelle doit être l’intensité $I$ pendant la charge ?

Correction de l’exercice sur l’évolution forcée : l’électrolyse

Question 1 : La réaction spontanée est $\mathrm{O_2+2H_2\rightarrow 2H_2O}$

La réaction forcée est donc $\mathrm{2H_2O \rightarrow O_2+2H_2\rightarrow }$ qui est bien celle de l’électrolyse (étymologiquement « destruction (-lyse) par l’électricité ») de l’eau.

Question 2 :Le courant électrique sort de la borne positive et entre dans la borne négative du générateur. Les électrons se déplacent en sens inverse, donc sortent de la borne négative et arrivent donc à l’électrode en question. Ce sont donc les ions positifs, les cations, qui se dirigent vers cette électrode.

Question 3 : Electrolyse de l’eau

On équilibre d’abord les demi-équations avec $\mathrm{H^+}$

$\mathrm{H_2O_{(l)}+2H^+_{(aq)}+2e^-=H_{2(g)}+H_2O_{(l)}}$

Soit $\mathrm{2H^+_{(aq)}+2e^-=H_{2(g)}}$ et $\mathrm{2H_2O_{(l)}=O_{2(g)}+4H^+_{(aq)}+4e^-}$
– On en déduit les demi-équations équilibrées avec l’ion hydroxyde en utilisant

$\mathrm{H^++HO^-= H_2O}$

$\mathrm{2H_2O_{(l)}+2e^-=H_{2(g)}+2HO^-_{(aq)}}$

Et $\mathrm{4HO^-_{(aq)}=O_{2(g)}+2H_2O_{(l)}+4e^-}$

On en déduit, en équilibrant les demi-équations en éliminant les électrons
$\mathrm{4H_2O_{(l)}=2H_{2(g)}+O_{2(g)}}$

Il y a oxydAtion à l’Anode

$\mathrm{4HO^-_{(aq)}=O_{2(g)}+2H_2O_{(l)}+4e^-}$

Donc dégagement de dioxygène

Et réduCtion à la Cathode

$\mathrm{2H_2O_{(l)}+2e^-=H_{2(g)}+2HO^-_{(aq)}}$

Donc dégagement de dihydrogène.

La réaction complète indique que pour les quantités de matière

$n(\mathrm{H_2})=2n(\mathrm{O_2})$

Et en assimilant les gaz à des gaz parfaits à même pression et à même température

$V(\mathrm{H_2})=2V(\mathrm{O_2})$

A est donc l’anode et C la cathode.

Lélectrolyse ne produit aucun ion, les seuls ions présents sont donc les ions présents dans l’eau pure, $\mathrm{H_3O^+_{(aq)}}$ et $\mathrm{HO^-_{(aq)}}$ , leurs concentrations sont tellement faibles (de l’ordre de $10^{-7}~\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ ) que la solution est très peu conductrice donc l’intensité du courant est très petite et la réaction très lente.

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Correction de l’exercice sur l’évolution forcée : Accumulateur nickel-cadmium

On écrit les demi-équation

$\mathrm{Cd_{(s)}+2H_2O_{(l)}=Cd(OH)_{2(s)}+2H^+_{(aq)}}$

$\mathrm{NiO(OH)_{(s)}+H^+_{(aq)}+1e^-=Ni(OH)_{2(s)}}$

On en déduit la réaction spontanée, qui est celle du fonctionnement en pile (générateur, décharge)

$\mathrm{Cd_{(s)}+2NiO(OH)_{(s)}+2H_2O_{(l)}\rightarrow}$

$\mathrm{Cd(OH)_{2(s)}+2H^+_{(aq)}+2Ni(OH)_{2(s)}}$

Et la réaction inverse, qui est celle du fonctionnement en électrolyse (récepteur, charge)

$\mathrm{Cd(OH)_{2(s)}+2H^+_{(aq)}+2Ni(OH)_{2(s)}\rightarrow}$

$\mathrm{Cd_{(s)}+2NiO(OH)_{(s)}+2H_2O_{(l)}}$

La quantité de matière de cadmium vaut

$n=\displaystyle{\frac{m}{M}}=44,5~\mathrm{mmol}$

L’avancement final est égal à l’avancement maximal de la réaction de décharge, soit $x_f=n$ , et $z=2$

On en déduit

$Q=zx_f\mathcal{F}=8,59\cdot 10^3~\mathrm{C}$

Il faut transférer $Q/2$ par la réaction d’électrolyse pendant la recharge de l’accumulateur, donc

$\displaystyle{\frac{Q}{2}=I\Delta t}$ soit

$\displaystyle{I=\frac{Q}{2\Delta t}=1,19~\mathrm{A}}$

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