15.E41 : Purification du zinc par électrolyse
Données sur les espèces chimiques
- Masse molaire du zinc : \(\pu{65,4 g*mol-1}\)
- Masse volumique du zinc : \(ρ = \pu{7,14 g*cm-3}\)
- Constante de Faraday : \(F = \pu{9,65E4 C*mol-1}\)
- Couples oxydant réducteur : \(\ce{Zn^2+(aq)/Zn(s)}\), \(\ce{H+(aq)/H2(g)}\) et \(\ce{O2(g)/H2O(l)}\).
Certains métaux sont préparés par électrolyse d’une solution aqueuse les contenant à l’état de cations.
Plus de 50 % de la production mondiale de zinc est obtenue par électrolyse d’une solution de sulfate de zinc acidifiée à l’acide sulfurique.
Les ions sulfate ne participent pas aux réactions électrochimiques. On observe un dépôt métallique sur l’une des électrodes et un dégagement gazeux sur l’autre.
A Étude de la transformation
1 Donner les demi-réactions de toutes les réactions susceptibles de se produire sur chaque électrode (borne - et borne + du générateur).
2 Justifier que l’équation \(\ce{2 Zn^2+(aq) + 2 H2O(l) <=> 2 Zn(s) + O2(g) + 4 H+(aq)}\) peut correspondre à la réaction globale de l'électrolyse.
4 Schématiser l’électrolyseur, en précisant le nom de chaque électrode, leur polarité et le sens de déplacement des espèces chargées.
B Exploitations
L’électrolyse a lieu sous \(\pu{3,5 V}\). L’intensité du courant peut atteindre \(\pu{80 kA}\). Après 1 ou 2 jours de fonctionnement, le dépôt de zinc est suffisamment épais, il est alors séparé de l’électrode, fondu et coulé en lingots.
1 Établir la relation entre l’avancement \(x\) de la réaction et la quantité d’électricité \(Q\) transportée dans cet électrolyseur.
2 A partir de l'intensité du courant, calculer la quantité d'électricité transportée en \(\pu{2 jours}\)
3 Calculer la masse de zinc produite en \(\pu{2 jours}\).
4 Émettre une hypothèse quant au fait que l'on obtient une quantité de zinc inférieure à celle attendue théoriquement.
5 A l’autre électrode on récupère le dioxygène. Le rendement de la réaction qui le produit est de \(\pu{80 \%}\) et le volume molaire est de \(V_M = \pu{24 L·mol-1}\). Donner la relation entre l’avancement \(x\) et le volume \(V\) de dioxygène récupéré. Calculer \(V\).