A propos du zinc (Bac USA 2005) énoncé

 

Q1

a)

A la cathode (reliée à la borne – de la pile)                 réduction :    Fe2+(aq) + 2 e– = Fe(s)

A l’anode (reliée à la borne + de la pile )              oxydation:     Zn(s) = Zn2+(aq) + 2 e–

 

            b) Déterminations des quantités de matière de réactifs initiaux :

 

n(Fe2+)i = c1.V1 = 1,00´10–1 ´ 0,100 = 1,00´10–2 mol

n(Zn2+)i = c2.V2 = 1,00´10–1 ´ 0,200 = 2,00´10–2 mol

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q2

 

a) équation (1) Fe2+(aq)    +   Zn(s)    =   Zn2+(aq)  +   Fe(s)   

n(Fe2+)i =1,00´10–2 mol; n(Zn2+)i = 2,00´10–2 mol

 

 

Cet état correspond à la figure 2 ci dessus.

 

b) Critère d’évolution spontané :

Si  Qr,i < K le système évolution dans le sens direct de l’équation bilan (de « gauche à droite » )

Si Qr,i > K le système évolue dans le sens indirect de l’équation bilan

Si Qr,i = K le système n’évolue pas, l’état d’équilibre est atteint.

Qr,i = 2 ;  K = 1,4 x 1011 Þ Qr,I < K  le système évolue dans le sens direct de l’équation bilan

 

            c) Calcul des quotients de réaction.

 

           

d) Au cours de la réaction Qr,i = 2 va augmenter et tendre vers K.

Seul Qr,1 correspond à un état intermédiaire, car il est compris entre Qr,i et K.

 

Q3

a)  Tableau d’avancement

 

Avancement

(mol)

Équation de la réaction

Fe2+(aq)                        +                             Zn(s)                       =          Zn2+(aq)                     +            Fe(s)

Etat Initial

x = 0

n(Fe2+)i = 0,010

n(Zn2+)i = 0,020

 

Etat final

x = xf = 0,010

0,010 - xf

0,010 - 0,010 = 0

0,1 - xf

0,10 – 0,010 = 0,090

0,020 + xf

0,020 + 0,010 = 0,030

0,100 + xf

0,100 + 0,010  = 0,011

 

            b) Calcul des concentrations finales.

[Fe2+(aq)]f = 0 mol.L–1

 

 

           

Q4

Pour voir un exercice similaire clique ici.

Les électrons se déplacent dans les fils et les électrodes. Les ions dans l’électrolyte.

Les électrons se partent de la borne –  de la pile et se dirigent vers la borne +. Les anions ( SO42- , HO-) se déplacent dans le sens des électrons, les cations ( Zn2+ , H3O+, Fe2+) dans le sens inverse .

 

2 réactions de réductions se produisent sur l’électrode de fer :

  Le dégagement de dihydrogène est dû à la réduction des ions hydrogène H+(aq).

½ équation de réduction : 2H+(aq) + 2 e– = H2 (g)

 

La formation du dépôt métallique correspond à la réduction des ions Zn2+(aq)

½ équation de réduction : Zn2+(aq) + 2 e– = Zn(s)

L’électrode de fer est la cathode car il s’y produit une réaction de réduction.

 

c) Intérêt du dépôt de zinc sur la plaque de fer : le zinc protège le fer de l’oxydation. On utilise cette technique pour protéger les tôles  de fer qui recouvrent les toits.

 

d) L’électrode de zinc est le siège d’une oxydation :

½ équation d’oxydation : Zn(s) = Zn2+(aq) + 2 e–

Au cours de la réaction du métal zinc est consommé, la masse de l’électrode diminue.

 

Q5

a)     Equation aux électrodes :

A la cathode, réduction des ions Zn2+(aq)

½ équation de réduction : Zn2+(aq) + 2 e– = Zncathode (s),

A l’anode, l’électrode de zinc est le siège d’une oxydation :

½ équation d’oxydation : Znanode (s)  = Zn2+(aq) + 2 e–

Equation bilan de l’électrolyse :

Znanode, (s) + Zn2+ (aq)  =  Zn2+(aq)  + Zncathode, (s)

 

b) Pour voir la correction vidéo clique ici. Quantité d’électricité débité par la pile (Dt = 10 min = 600 s, I = 0,5 A) :

Q = I.Dt = 0,5´10´60 = 3,0 x 102 C

Quantité de matière d’électrons correspondant : Q = ne.NA.e


D'après la demi-équation d'oxydation à l’anode : nZn,disp = ne/2

 

c) mzn,disp = nZn,disp ´ MZn  = 1,55 x 10-3 x 65,4 = 0,101 g