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Les cours de Paul Arnaud - Exercices résolus de chimie physique

Paul Arnaud, Françoise Rouquérol, Gilberte Chambaud, Roland Lissillour

Chapter 17

RÉACTIONS D'OXYDORÉDUCTION ET RÉACTIONS ÉLECTROCHIMIQUES EN SOLUTION AQUEUSE - all with Video Answers

Educators


Chapter Questions

02:46

Problem 1

Déduisez de la structure de Lewis des espèces suivantes les degrés d'oxydation des éléments qui les constituent:
a) $\mathrm{AlH}_3$
c) $\mathrm{CH}_2 \mathrm{Cl}_2$
e) $\mathrm{H}_3 \mathrm{~S}^{+}$
g) $\mathrm{HCN}$
i) $\mathrm{ClO}_2^{-}$k) $\mathrm{N}_2$
m) $\mathrm{F}_2 \mathrm{O}$
b) $\mathrm{ClNO}$
d) $\mathrm{PCl}_4{ }^{+}$
f) $\mathrm{NH}_4 \mathrm{NO}_3$
h) $\mathrm{BF}_4^{-}$
j) $\mathrm{SOF}_4$
1) $\mathrm{KClO}_4$
n) $\mathrm{Na}_2 \mathrm{O}_2$

Ronald Prasad
Ronald Prasad
Numerade Educator
07:22

Problem 2

Déterminez le degré d'oxydation de l'élément souligné dans chaque formule, sans établir explicitement la structure de Lewis de la molécule ou de l'ion.
a) $\mathrm{K}_2 \mathrm{CO}_3$
c) $\mathrm{Al}_2 \mathrm{O}_3$
e) $\mathrm{CrO}_2^{-}$
g) $\mathrm{HlO}_4$
i) $\mathrm{As}_2 \mathrm{O}_5$
b) $\mathrm{BrO}_3^{-}$
d) $\mathrm{VO}_4{ }^{3-}$
f) $\left[\underline{\mathrm{Cu}}\left(\mathrm{NH}_3\right)_4\right]^{2+}$
h) $\underline{\mathrm{N}}_2 \mathrm{O}_5$
j) $\mathrm{Na}_3 \mathrm{AsO}_4$

Angelina Chavez
Angelina Chavez
Numerade Educator
10:57

Problem 3

Les transformations suivantes sont-elles des réactions d'oxydoréduction? Ajuster les nombres stæchiométriques de l'équation correspondante en la complétant éventuellement pour tenir compte de la nature aqueuse acide ou basique du milieu.
a) $\left(\mathrm{BrO}_3^{-}+\mathrm{N}_2 \mathrm{H}_4\right) \rightarrow\left(\mathrm{Br}^{-}+\mathrm{N}_2\right)$
b) $\left(\mathrm{ClO}^{-}+\mathrm{AsO}_2^{-}\right) \rightarrow\left(\mathrm{Cl}^{-}+\mathrm{AsO}_4{ }^{3-}\right)$ (milieu basique)
c) $\left(\mathrm{S}_2 \mathrm{O}_3{ }^{2-}+\mathrm{MnO}_4^{-}\right) \rightarrow\left(\mathrm{SO}_4{ }^{2-}+\mathrm{Mn}^{2+}\right)$ (milieu acide)
d) $\left(\mathrm{H}_3 \mathrm{PO}_3\right) \rightarrow\left(\mathrm{PH}_3+\mathrm{H}_3 \mathrm{PO}_4\right)$
e) $\left(\mathrm{SO}_2+\mathrm{Cr}_2 \mathrm{O}_7^{2-}\right) \rightarrow\left(\mathrm{Cr}^{3+}+\mathrm{HSO}_4^{-}\right)$(milieu acide)
f) $\left(\mathrm{Cl}_2+\mathrm{HO}^{-}\right) \rightarrow\left(\mathrm{Cl}^{-}+\mathrm{ClO}_3^{-}\right)$
g) $\left(\mathrm{IO}_3^{-}+\mathrm{I}^{-}\right) \rightarrow \mathrm{I}_2$
h) $\left(\mathrm{ClO}_4^{--}+\mathrm{Sn}^{2+}\right) \rightarrow\left(\mathrm{Cl}^{-}+\mathrm{Sn}^{4+}\right)$

Jennifer Hudspeth
Jennifer Hudspeth
Numerade Educator
05:00

Problem 4

Pour doser l'éthanol (alcool ordinaire) $\mathrm{H}_3 \mathrm{C}-\mathrm{CH}_2 \mathrm{OH}$ contenu dans une solution aqueuse, on peut procéder ainsi :
1) On oxyde l'éthanol en éthanal $\mathrm{H}_3 \mathrm{C}-\mathrm{CH}=\mathrm{O}$ par le bichromate de potassium $\mathrm{K}_2 \mathrm{Cr}_2 \mathrm{O}_7$, qui se réduit en sel de chrome $\left(\mathrm{Cr}^{3+}\right)$. Comme le point d'équivalence n'est pas perceptible directement, on emploie une quantité (connue) de bichromate dont on est certain qu'elle représente un excès par rapport à l'éthanol.
2) On dose l'excès de bichromate en le faisant réagir sur de l'iodure de potassium $\mathrm{Kl}$. Cette réaction libère du diiode $\mathrm{I}_2$, à son tour dosé par une solution de titre connu de thiosulfate de sodium $\mathrm{Na}_2 \mathrm{~S}_2 \mathrm{O}_3$, qui se transforme en tétrathionate de sodium $\mathrm{Na}_2 \mathrm{~S}_4 \mathrm{O}_6$. La fin de la réaction est repérable par la disparition de la couleur brune du diiode en solution.
On applique cette méthode pour doser l'éthanol, sur un échantillon de $5 \mathrm{~mL}$ de solution, et on utilise successivement :
> $100 \mathrm{~mL}$ de solution de bichromate de potassium $0,10 \mathrm{M}$;
> $50 \mathrm{~mL}$ de solution d'iodure de potassium $0,50 \mathrm{M}$;
> $78 \mathrm{~mL}$ de solution de thiosulfate de sodium $0,30 \mathrm{M}$.
Quelle est la concentration molaire de l'éthanol dans sa solution?
Quel est le degré alcoolique de cette solution (\% d'éthanol en volume)?

Madeline Currie
Madeline Currie
Numerade Educator
00:34

Problem 5

La réaction d'oxydoréduction entre le zinc $\mathrm{Zn}$ et les ions argent $\mathrm{Ag}^{+}$, dont l'équation stœchiométrique s'écrit: $\mathrm{Zn}+2 \mathrm{Ag}^{+}=\mathrm{Zn}^{2+}+2 \mathrm{Ag}$, peut être réalisée de deux façons différentes.
a) Lesquelles? Représenter la pile électrochimique qu'il faudrait alors réaliser pour effectuer cette réaction.
b) Quel est le rôle du pont salin? Indiquer, en le justifiant, le sens de circulation des charges (anions et cations) dans le pont salin lorsque la pile débite du courant.
c) Pour mesurer la tension de la pile, on met un millivoltmètre entre ses bornes. Quelle caractéristique technique doit présenter un bon millivoltmètre? Dans ces conditions, peut-on considérer que la pile est à l'équilibre, qu'en est-il de chacune des demi-piles?

Aadit Sharma
Aadit Sharma
Numerade Educator
03:13

Problem 6

Considérons la pile $\mathrm{Zn} / \mathrm{Zn}^{2+} \| \mathrm{Ag}^{+} / \mathrm{Ag}$ qui est le siège d'une réaction redox caractérisé par l'équation stæchiométrique: $\mathrm{Zn}+2 \mathrm{Ag}^{+}=\mathrm{Zn}^{2+}+2 \mathrm{Ag}$.
a) Quelles sont les réactions électrochimiques qui se produisent dans chaque demi-pile?
b) Exprimer, à l'aide des potentiels électrochimiques, les potentiels absolus d'électrode correspondant à chaque demi-pile. Ceux-ci sont-ils calculables, mesurables?
c) En déduire l'expression de la fem de la pile, $\mathrm{E}=\phi_{\mathrm{Ag}}-\phi_{\mathrm{Zn}}$, en fonction des potentiels chimiques des espèces $\mathrm{Ag}, \mathrm{Ag}^{+}, \mathrm{Zn}$ et $\mathrm{Zn}^{2+}$.
d) Exprimer l'enthalpie libre molaire $\left(\Delta \mathrm{rG}_{\mathrm{m}}\right)$ de la réaction redox qui se produit dans la pile à l'aide des potentiels chimiques.
e) Déduire des expressions obtenues en c et d, la relation fondamentale de la thermodynamique électrochimique $\Delta \mathrm{rG}_{\mathrm{m}}=-\mathrm{nFE}$. En déduire le critère d'évolution spontanée utilisé pour les réactions redox.
f) À partir des valeurs données dans l'annexe N, calculer à $25^{\circ} \mathrm{C}$, la fem de référence de la pile, l'enthalpie libre molaire de référence, $\Delta \mathrm{rG}^{\circ}{ }_{\mathrm{m}}$, de la réaction redox ainsi que la constante d'équilibre. Qu'en concluez-vous?
Données : $\mathrm{R}=8,314 \mathrm{~J} \mathrm{~K}^{-1} \mathrm{~mol}^{-1}$ et $\mathrm{F}=96500 \mathrm{C} \mathrm{mol}^{-1}$
On considère généralement qu'une constante d'équilibre $K$ supérieure à $1 \theta$ caractérise une réaction totale.

Nicole Smina
Nicole Smina
Numerade Educator
04:13

Problem 7

Considérons la pile $\mathrm{Zn} / \mathrm{Zn}^{2+} \| \mathrm{Fe}^{3+}, \mathrm{Fe}^{2+} / \mathrm{Pt}$.
a) Quelles sont les réactions électrochimiques qui se produisent dans chaque demi-pile. A quel type d'électrode correspond chacune de ces demi-piles?
b) Calculer, à $25^{\circ} \mathrm{C}$ les potentiels d'électrode ou potentiels de Nernst de chaque demi-pile. En déduire la fem de la pile et sa polarité. Dire quelle est l'anode et quelle est la cathode ainsi que le sens spontané d'évolution de la pile. Quelle est la réaction redox qui se produit dans la pile ?
c) On branche une résistance aux bornes de la pile. Que se passe-t-il au sein de la pile et à l'extérieur :
au cours du temps, comment évoluent la tension aux bornes et le courant dans le circuit externe?
quel est le sens de circulation des ions dans la pile (sans oublier le pont salin) et des électrons dans la résistance?
comment évoluent les concentrations des espèces électro-actives dans les solutions de chaque demi-pile?
d) Pour quelle valeur de la résistance ( $1 \Omega, 100 \Omega, 10000 \Omega$ ) peut-on faire l'hypothèse d'un fonctionnement pseudo-réversible de la pile ? Justifier votre réponse.
e) En faisant un bilan de la transformation d'énergie au cours de la décharge supposée réversible de la pile, retrouver la relation fondamentale de la thermodynamique électrochimique $\Delta_{\mathrm{r}} \mathrm{G}=-\mathrm{n} \mathrm{FE}$, où $\mathrm{E}$ est la fem de la pile et $\mathrm{n}$ est le nombre stæchiométrique des électrons (figurant dans l'équation des réactions électrochimiques) échangés entre les deux demi-piles.
On supposera que la fem reste constante lors de la décharge de la pile.
f) Calculer alors les concentrations des ions à l'équilibre.

Données : $V_{(\mathrm{Zn} 2+)}=V_1=50 \mathrm{~cm}^3$ et $V_{(F e 3+/ F e 2+)}=V_2=100 \mathrm{~cm}^3$, la concentration $c$ des ions est $10^{-2} \mathrm{~mol} \mathrm{~L}^{-1}$ dans chaque solution. Le zinc est en large excès.

David Collins
David Collins
Numerade Educator
01:34

Problem 8

Observe-t-on une réaction, et si oui laquelle,
A. Si l'on plonge
a) une lame de fer dans une solution de chlorure de zinc $\mathrm{ZnCl}_2$ ?
b) une lame de cuivre dans une solution de chlorure de potassium $\mathrm{KCl}$ ?
c) une lame de cadmium dans une solution de nitrate d'argent $\mathrm{AgNO}_3$ ?
d) une lame d'aluminium dans une solution de sulfate de cuivre $\mathrm{CuSO}_4$ ?
B. Si l'on met en présence
e) du dibrome $\mathrm{Br}_2$ et une solution d'iodure de potassium $\mathrm{Kl}$ ?
f) une solution de chlorure de fer (III) $\mathrm{FeCl}_3$ et une solution de chlorure d'étain (II) $\mathrm{SnCl}_2$ ?
g) du dichlore $\mathrm{Cl}_2$ et du fer ?

Muhammad Ahsan
Muhammad Ahsan
Numerade Educator
01:28

Problem 9

On sait que les réactions d'oxydoréduction sont caractérisées par une variation d'enthalpie libre $\Delta_{\mathrm{r}} G_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}$ et par une constante d'équilibre. Comment peuton déterminer ces deux grandeurs à partir de données électrochimiques?
Par exemple, quelles sont les valeurs de $\Delta_{\mathrm{r}} G_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}$ et de $K$ pour la réaction caractérisée par l'équation stœchiométrique :
$$
3 \mathrm{Cu}+8 \mathrm{H}^{+}+2 \mathrm{NO}_3^{-}=3 \mathrm{Cu}^{2+}+2 \mathrm{NO}+4 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} ?
$$

Anatole Borisov
Anatole Borisov
Numerade Educator
06:11

Problem 10

On constitue une pile en associant les deux demi-piles suivantes :
(1) Une électrode d'argent plongée dans une solution de nitrate d'argent 0,1 M.
(2) Une électrode d'argent plongée dans une solution de chlorure de potassium $\mathrm{KCl} 0,1 \mathrm{M}$, dans laquelle on a ajouté quelques gouttes de la solution de nitrate d'argent de l'autre demi-pile.
La f.é.m. mesurée pour cette pile est $0,465 \mathrm{~V}$.
Comment peut-on en déduire la valeur du produit de solubilité du chlorure d'argent? Quelle est sa valeur?

Kevin Zaborsky
Kevin Zaborsky
Numerade Educator
09:07

Problem 11

On dissout dans $250 \mathrm{~mL}$ d'eau $10 \mathrm{~g}$ de nitrate d'argent et $20 \mathrm{~g}$ de cyanure de potassium KCN, puis on utilise une partie de cette solution pour constituer, avec un électrode d'argent métallique, une demi-pile.
Quelle est la f.é.m. de la pile formée par l'association de cette demi-pile et d'une électrode normale à hydrogène ? Quelle réaction s'y produit lorsqu'elle débite du courant? L'électrode d'argent est-elle son anode ou sa cathode? Rappel : les ions cyanure $\mathrm{CN}^{-}$forment avec les ions $\mathrm{Ag}^{+}$un complexe $\left[\mathrm{Ag}(\mathrm{CN})_2\right]^{-}$.

David Collins
David Collins
Numerade Educator
00:30

Problem 12

Décrivez la pile formée en associant les deux couples redox $\mathrm{Fe}^{2+} / \mathrm{Fe}^2 \mathrm{Cd}^{2+}$ /
$\mathrm{Cd}$ et son fonctionnement :
Comment est-elle constituée ?
Quelle réaction s'y produit-elle quand elle débite du courant?
Quelle est sa force électromotrice?

Quelle est la polarité des électrodes? Laquelle est l'anode et laquelle est la cathode?
Dans le circuit électrique extérieur, quel est le sens de circulation des électrons? Quel est celui du courant électrique?
Quelle est la représentation symbolique conventionnelle de la chaîne électrochimique réalisée dans cette pile?
Si la concentration des ions $\mathrm{Fe}^{2+}$ est 1,0 mol. $\mathrm{L}^{-1}$, à quelle condition la concentration des ions $\mathrm{Cd}^{2+}$ devrait-elle satisfaire pour que la pile fonctionne en sens opposé $\mathrm{Fe}^{2+} / \mathrm{Fe}$ devenant le couple oxydant?

David Collins
David Collins
Numerade Educator

Problem 13

On peut constituer une pile associant deux demi-piles correspondant au même couple, par exemple $\mathrm{Cu}^{2+} / \mathrm{Cu}$ mais dont les deux compartiments contiennent des solutions d'ions $\mathrm{Cu}^{2+}$ de concentrations différentes.
Que se passe-t-il lorsque cette pile débite (évolution des concentrations, sens du déplacement des électrons et du courant, polarité des électrodes )? Vers quel état d'équilibre évolue-t-elle?
(Répondez sans formule ni calcul).

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03:24

Problem 14

On considère le diagramme potentiel-pH du plomb donné dans la figure cidessous.
GRAPH CANT COPY
a) Rappeler les données nécessaires pour construire un tel diagramme. Que représentent les droites $a$ et $b$ ?
b) Placer dans les différentes zones du diagramme les espèces stables du plomb qui ont été utilisées pour sa construction : $\mathrm{Pb}, \mathrm{PbO}, \mathrm{PbO}_3{ }^{2-}, \mathrm{Pb}^{2+}, \mathrm{PbO}_2$ et enfin $\mathrm{HPbO}_2^{-}$. En déduire les domaines d'immunité, de corrosion et de passivation. Préciser le domaine de $\mathrm{pH}$ où le plomb métallique est stable.
c) Écrire les équilibres chimiques et/ou électrochimiques correspondant à chacune des droites 1 à 10 (qui sont des frontières entre les différentes zonez) et calculer leur pente.
Attention: ne pas oublier de tenir compte de la nature acide ou basique du milieu!
d) Application : on met une pièce de plomb dans une solution tamponnée à $\mathrm{pH}$ 8. Le potentiel du morceau de plomb est porté de $-1 \mathrm{~V}_{/ \text {ESH }}+1,5 \mathrm{~V}_{/ \text {ESH }}$. Pouvez-vous prédire ce qui se passera à la surface du plomb lors de ce balayage en potentiel?
e) Quelle est la limite d'interprétation des diagrammes potentiel- $\mathrm{pH}$ ?

ZC
Zhengguo Cai
Numerade Educator
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Problem 15

On constitue une cellule électrochimique en associant les deux couples redox $\mathrm{Ni}^{2+} / \mathrm{Ni}$ et $\mathrm{Ag}^{+} / \mathrm{Ag}$. Les concentrations initiales en ions $\mathrm{Ni}^{2+}$ et $\mathrm{Ag}^{+}$sont égales à 0,1 mol. $\mathrm{L}^{-1}$ et chacun des compartiments de la cellule contient $100 \mathrm{~mL}$ de solution.
a) On considère d'abord cette cellule comme une pile. Quelle est sa f.é.m. ? Quelle est la polarité de ses électrodes? Quelle est l'anode et quelle est la cathode?
b) On utilise ensuite comme un électrolyseur. Quelle différence de potentiel faut-il appliquer entre ses électrodes? Quelles sont les réactions qui se produisent aux électrodes? Quelle est l'anode et quelle est la cathode ?
c) On laisse la cellule fonctionner en électrolyseur pendant 1 heure, avec un courant de $0,2 \mathrm{~A}$, puis on la débranche de la source de courant et on la considère de nouveau comme une pile. Quelle est alors sa f.é.m. ?

Tanvi Garg
Tanvi Garg
Numerade Educator

Problem 16

Les deux compartiments d'une pile contiennent respectivement :
> $100 \mathrm{~mL}$ d'une solution d'ions $\mathrm{Fe}^{2+}(0,1 \mathrm{M})$ et d'ions $\mathrm{Fe}^{3+}(0,1 \mathrm{M})$
> $100 \mathrm{~mL}$ d'une solution d'ions $\mathrm{Sn}^{2+}(0,02 \mathrm{M})$ et d'ions $\mathrm{Sn}^{4+}(0,02 \mathrm{M})$.
Dans chacune de ces solutions plonge une électrode de platine.
a) Que se passe-t-il dans la pile si on réunit par un conducteur les deux électrodes?
b) Vers quelles valeurs finales les quatre concentrations évoluent-elles?
c) Quelle quantité totale d'électricité la pile aura-t-elle fournie avant de parvenir à l'état d'équilibre?
d) Qu'observerait-on si, au lieu de les mettre dans les compartiments d'une pile on mélangeait ces deux solutions?

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