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Lorsque des électrodes de carbone sont utilisées pour l’électrolyse du sulfate de cuivre aqueux, un gaz incolore est dégagé à l’anode et l’électrolyte passe d’une solution bleue à une solution incolore. Laquelle de ces affirmations explique ces observations ? (A) Le gaz incolore est de l’hydrogène et la solution se transforme en eau pure. (B) Le gaz incolore est de l’hydrogène et la solution se transforme en acide sulfurique. (C) Le gaz incolore est du dioxyde de carbone et la solution se transforme en eau pure. (D) Le gaz incolore est de l’oxygène et la solution se transforme en acide carbonique. (E) Le gaz incolore est de l’oxygène et la solution se transforme en acide sulfurique.
Cette question porte sur l’électrolyse, soit un processus au cours duquel l’électricité passe à travers un électrolyte pour provoquer sa décomposition. Selon la question, un gaz incolore est dégagé à l’anode lorsque nous effectuons cette électrolyse. La deuxième observation est que l’électrolyte devient une solution incolore à la fin de la réaction. Décrivons ce qui se produit au cours de ce processus, soit l’électrolyse du sulfate de cuivre aqueux, afin d’identifier ces deux substances.
Au début du processus, nous avons deux électrodes connectées à une alimentation électrique et immergées dans un récipient contenant du sulfate de cuivre aqueux. Le sulfate de cuivre aqueux contient des ions cuivre deux, des ions sulfate et des molécules d’eau. Lorsque l’électricité passe à travers la substance, les ions sont attirés vers l’électrode de charge opposée. Ainsi, les ions cuivre et les ions sulfate se regroupent respectivement à la cathode et à l’anode. Cependant, il se produit également quelque chose avec les molécules d’eau. L’électricité peut entraîner la décomposition de certaines de ces molécules en ion hydrogène et en ion hydroxyde. Les électrons circulent à travers le circuit de l’anode vers la cathode. À chaque électrode, l'un de ces deux ions réagit pour former un nouveau produit. La réaction implique de donner ou d’accepter des électrons.
Il existe une règle simple que nous pouvons suivre afin de déterminer l'ion qui va réagir à l’anode. Si un halogénure est présent, de l'halogène gazeux est produit. Sinon, de l’oxygène est produit à partir de l’ion hydroxyde. Les ions hydroxyde réagissent pour produire de l’oxygène gazeux aux côtés de l’eau et des électrons qui circulent dans le circuit. Il s'agit du gaz incolore dégagé à l’anode et mentionné dans la question. Si le gaz incolore est de l’oxygène, la réponse appropriée est le choix de réponse (D) ou (E).
Examinons maintenant la réaction qui se produit à la cathode afin de déterminer en quoi se transforme la solution. Afin de déterminer ce qui se passe à la cathode, la règle que nous pouvons suivre stipule que l’élément le plus stable est celui qui réagit. Dans ce cas-ci, le cuivre est plus stable que l’hydrogène. Lorsque les ions cuivre acceptent des électrons, du cuivre solide est plaqué sur la surface de l’électrode. Les ions qui n’ont pas réagi, en d’autres termes ceux qui restent dans la solution, sont les ions hydrogène et les ions sulfate. Le fait de mettre ces ions dans un rapport de deux pour un afin d'équilibrer leur charge nous donne une solution de H2SO4. H2SO4 est la formule chimique de l’acide sulfurique, soit la solution mentionnée dans le choix de réponse (E), qui constitue donc la bonne réponse.
Nous avons débuté avec une solution aqueuse bleue de sulfate de cuivre. Toutefois, lorsque le cation dans la solution est passé du cuivre à l’hydrogène, la couleur de la solution est passée du bleu à l’incolore. Alors, laquelle de ces affirmations explique ces observations ? Il s'agit du choix de réponse (E). Le gaz incolore est de l’oxygène et la solution se transforme en acide sulfurique.
