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Spécialité Physique-Chimie Terminale

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Piles et électrolyse : transformations spontanées et forcées

Oxydants et réducteurs usuels, caractère réducteur des métaux du bloc s ; transfert d’électrons par contact ou par un circuit extérieur ; pile : demi-piles, pont salin, polarité, tension à vide ; usure et capacité électrique d’une pile ; électrolyse, transformation forcée, quantités de matière et rendement faradique ; stockage et conversion de l’énergie chimique.

À propos de cette page
Trente-six questions de QCM en trois niveaux, chacune corrigée : vocabulaire des piles et des électrolyseurs, puis calculs de charge, de masse déposée, de capacité et de rendement, enfin raisonnements sur la polarité, l’usure d’une pile et les enjeux du stockage.

Les 36 questions du QCM en version texte

Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.

Niveau facile ★ — 12 questions

  1. Parmi ces espèces, laquelle est un oxydant usuel ?

    • A. l’acide ascorbique de la vitamine C
    • B. le dihydrogène d’une pile à combustible
    • C. l’ion hypochlorite de l’eau de Javel
    • D. le zinc d’une électrode de pile
    Réponse

    C. l’ion hypochlorite de l’eau de Javel — ClO⁻ capte des électrons pour donner Cl⁻ : c’est un oxydant. Acide ascorbique, dihydrogène et métaux sont des réducteurs usuels.

  2. Les métaux des colonnes 1 et 2 sont des réducteurs forts parce qu’ils :

    • A. cèdent facilement leurs 1 ou 2 électrons de valence
    • B. captent facilement les électrons qui complètent leur couche
    • C. possèdent de nombreux électrons sur leur couche externe
    • D. ne réagissent ni avec l’eau ni avec le dioxygène
    Réponse

    A. cèdent facilement leurs 1 ou 2 électrons de valence — En cédant ses 1 ou 2 électrons de valence, l’atome prend la configuration électronique du gaz noble qui le précède.

  3. Dans une pile, le pont salin permet :

    • A. le passage des électrons d’une solution vers l’autre solution
    • B. le mélange lent des deux solutions jusqu’à l’état d’équilibre
    • C. l’apport des ions métalliques qui réagissent sur les électrodes
    • D. le passage d’ions qui ferme le circuit et garde chaque solution neutre
    Réponse

    D. le passage d’ions qui ferme le circuit et garde chaque solution neutre — Dans le pont salin, le courant est porté par des ions, qui compensent les charges apparues ou disparues dans chaque compartiment ; aucun électron ne le traverse.

  4. Dans une pile qui débite, l’oxydation se produit :

    • A. à l’anode, qui est le pôle positif
    • B. à l’anode, qui est le pôle négatif
    • C. à la cathode, qui est le pôle négatif
    • D. à la cathode, qui est le pôle positif
    Réponse

    B. à l’anode, qui est le pôle négatif — L’anode est toujours le siège de l’oxydation ; dans une pile, elle libère les électrons dans le circuit : c’est le pôle −.

  5. Dans le circuit extérieur d’une pile, les électrons circulent :

    • A. du pôle + vers le pôle −
    • B. du pôle − vers le pôle +
    • C. dans le même sens que le courant
    • D. seulement à travers le pont salin
    Réponse

    B. du pôle − vers le pôle + — Les électrons partent de l’anode (pôle −) vers la cathode (pôle +) ; le courant, de sens conventionnel, va en sens inverse.

  6. La constante de Faraday vaut environ :

    • A. 6,02 × 10²³ C·mol⁻¹
    • B. 1,60 × 10⁻¹⁹ C·mol⁻¹
    • C. 9,65 × 10⁻⁴ C·mol⁻¹
    • D. 9,65 × 10⁴ C·mol⁻¹
    Réponse

    D. 9,65 × 10⁴ C·mol⁻¹ — F est la charge d’une mole d’électrons : NA × e ≈ 6,02 × 10²³ × 1,60 × 10⁻¹⁹ ≈ 9,65 × 10⁴ C·mol⁻¹.

  7. Un voltmètre branché seul aux bornes d’une pile affiche une valeur positive quand :

    • A. sa borne V est reliée au pôle + de la pile
    • B. sa borne COM est reliée au pôle + de la pile
    • C. la pile débite un courant dans un conducteur
    • D. on retire le pont salin entre les deux béchers
    Réponse

    A. sa borne V est reliée au pôle + de la pile — La mesure est positive quand la borne V est sur le pôle + et la borne COM sur le pôle − : son signe donne la polarité.

  8. La capacité électrique d’une pile est :

    • A. la tension mesurée à ses bornes, à vide
    • B. l’intensité maximale qu’elle peut débiter
    • C. la charge maximale qu’elle peut débiter
    • D. la masse totale de ses deux électrodes
    Réponse

    C. la charge maximale qu’elle peut débiter — Qmax = n × xmax × F, en coulombs ou en ampères-heures ; elle se calcule à partir de la constitution initiale de la pile.

  9. Une électrolyse est une transformation :

    • A. spontanée, qui rapproche Qr de K
    • B. spontanée, qui éloigne Qr de K
    • C. forcée par un générateur, qui rapproche Qr de K
    • D. forcée par un générateur, qui éloigne Qr de K
    Réponse

    D. forcée par un générateur, qui éloigne Qr de K — Le générateur impose le sens contraire du sens spontané : Qr s’éloigne de K, ce qu’aucune évolution spontanée ne fait.

  10. Dans un électrolyseur, l’électrode reliée au pôle + du générateur est :

    • A. l’anode, siège d’une réduction
    • B. l’anode, siège d’une oxydation
    • C. la cathode, siège d’une oxydation
    • D. la cathode, siège d’une réduction
    Réponse

    B. l’anode, siège d’une oxydation — Le pôle + retire des électrons à cette électrode : il s’y produit une oxydation, c’est l’anode.

  11. Pendant la charge d’un accumulateur, la transformation chimique est :

    • A. spontanée : l’accumulateur fonctionne en pile
    • B. forcée, et Qr se rapproche alors de K
    • C. forcée par le chargeur : c’est une électrolyse
    • D. spontanée, car le chargeur lui fournit de l’énergie
    Réponse

    C. forcée par le chargeur : c’est une électrolyse — Le chargeur impose la transformation inverse de la décharge, qui reforme les réactifs : électrolyse, Qr s’éloigne de K.

  12. Dans la photosynthèse, vue comme une oxydoréduction :

    • A. la lumière force la réduction du dioxyde de carbone
    • B. le dioxygène de l’air est réduit en eau
    • C. le glucose est oxydé en dioxyde de carbone
    • D. l’eau est réduite en dihydrogène
    Réponse

    A. la lumière force la réduction du dioxyde de carbone — Le dioxyde de carbone est réduit en glucose et l’eau oxydée en dioxygène ; c’est la respiration qui oxyde le glucose.

Niveau moyen ★★ — 12 questions

  1. Un électrolyseur est parcouru par un courant de 0,500 A pendant 20,0 min. La quantité d’électricité vaut :

    • A. 10,0 C
    • B. 6,00 × 10² C
    • C. 3,60 × 10⁴ C
    • D. 2,40 × 10³ C
    Réponse

    B. 6,00 × 10² C — Δt = 20,0 × 60 = 1 200 s, Q = 0,500 × 1 200 = 600 C. Garder les minutes donne 10,0 C ; compter des heures donne 3,60 × 10⁴ C.

  2. Une charge de 772 C correspond à une quantité d’électrons de :

    • A. 7,45 × 10⁷ mol
    • B. 4,00 × 10⁻³ mol
    • C. 1,25 × 10² mol
    • D. 8,00 × 10⁻³ mol
    Réponse

    D. 8,00 × 10⁻³ mol — n(e⁻) = Q ÷ F = 772 ÷ 96 500, soit 8,00 × 10⁻³ mol. Multiplier par F donne un nombre absurde de moles.

  3. Déposer 0,0600 mol de chrome à partir d’ions Cr³⁺ exige une quantité d’électricité de :

    • A. 1,74 × 10⁴ C
    • B. 5,79 × 10³ C
    • C. 1,93 × 10³ C
    • D. 3,47 × 10⁴ C
    Réponse

    A. 1,74 × 10⁴ C — Cr³⁺ + 3 e⁻ → Cr : n(e⁻) = 3 × 0,0600 = 0,180 mol, Q = 0,180 × 96 500 ≈ 1,74 × 10⁴ C. Oublier le facteur 3 donne 5,79 × 10³ C.

  4. Dans une pile, le réactif limitant est l’ion argent : 0,0160 mol, réduit selon Ag⁺ + e⁻ → Ag. La capacité vaut :

    • A. 7,72 × 10² C
    • B. 3,09 × 10³ C
    • C. 1,54 × 10³ C
    • D. 4,29 × 10⁻¹ C
    Réponse

    C. 1,54 × 10³ C — Un électron par ion : n(e⁻) = 0,0160 mol, Qmax = 0,0160 × 96 500 ≈ 1,54 × 10³ C, soit 0,429 A·h (pas 0,429 C).

  5. Une pile de capacité 300 mA·h alimente un appareil qui consomme 4,00 mA. Elle fonctionne pendant :

    • A. 75,0 h
    • B. 1,20 × 10³ h
    • C. 1,33 × 10⁻² h
    • D. 2,70 × 10⁵ h
    Réponse

    A. 75,0 h — Δt = 300 mA·h ÷ 4,00 mA = 75,0 h. Multiplier au lieu de diviser donne 1,20 × 10³ h.

  6. Une électrolyse fait circuler 1 450 C dans un bain d’ions Zn²⁺ (M = 65,4 g·mol⁻¹). La masse de zinc déposée vaut :

    • A. 0,983 g
    • B. 0,246 g
    • C. 0,491 g
    • D. 4,58 × 10⁹ g
    Réponse

    C. 0,491 g — n(e⁻) = 1 450 ÷ 96 500 ≈ 1,50 × 10⁻² mol ; Zn²⁺ + 2 e⁻ → Zn : n(Zn) ≈ 7,51 × 10⁻³ mol, m ≈ 0,491 g. Oublier de diviser par 2 donne 0,983 g.

  7. Dans la pile (−) Zn | Zn²⁺ || Ag⁺ | Ag (+), l’espèce qui joue le rôle d’oxydant est :

    • A. l’argent métallique qui forme l’électrode positive
    • B. le zinc métallique de l’électrode négative
    • C. l’ion Zn²⁺ formé dans la solution de l’anode
    • D. l’ion Ag⁺ de la solution où plonge la cathode
    Réponse

    D. l’ion Ag⁺ de la solution où plonge la cathode — Au pôle +, la cathode, l’ion Ag⁺ capte un électron : Ag⁺ + e⁻ → Ag. Les métaux, argent compris, ne peuvent être que réducteurs ; l’ion Zn²⁺, produit de l’oxydation du zinc, ne réagit pas.

  8. Lors de l’électrolyse d’une solution aqueuse d’iodure de potassium, on observe à l’anode :

    • A. un dépôt de potassium métallique gris
    • B. la formation de diiode, de couleur brune
    • C. un dégagement de dihydrogène gazeux
    • D. la formation de nouveaux ions iodure
    Réponse

    B. la formation de diiode, de couleur brune — L’anode est le siège d’une oxydation : 2 I⁻ → I₂ + 2 e⁻. Le dihydrogène, produit d’une réduction de l’eau, se forme à la cathode.

  9. Pour Zn(s) + Sn²⁺(aq) = Zn²⁺(aq) + Sn(s), K ≈ 1 × 10²¹. Dans une pile, [Sn²⁺] = 2,0 × 10⁻² mol·L⁻¹ et [Zn²⁺] = 8,0 × 10⁻² mol·L⁻¹. Le pôle − est :

    • A. la lame d’étain, car Qr,i = 4,0 est supérieur à 1
    • B. la lame d’étain, car Qr,i = 0,25 est inférieur à K
    • C. la lame de zinc, car Qr,i = 4,0 est inférieur à K
    • D. la lame de zinc, car Qr,i = 0,25 est inférieur à 1
    Réponse

    C. la lame de zinc, car Qr,i = 4,0 est inférieur à K — Qr = [Zn²⁺] ÷ [Sn²⁺] = 4,0, très inférieur à K : sens direct, le zinc est oxydé, sa lame est l’anode, le pôle −. On compare à K, jamais à 1.

  10. Une électrolyse devait déposer 2,00 g de métal ; on en recueille 1,82 g. Le rendement faradique vaut :

    • A. 91,0 %
    • B. 109,9 %
    • C. 9,0 %
    • D. 0,910 %
    Réponse

    A. 91,0 % — η = m obtenue ÷ m théorique = 1,82 ÷ 2,00 = 0,910, soit 91,0 % ; un rendement ne dépasse jamais 100 %.

  11. Un électrolyseur fonctionne sous 4,00 V et fait circuler 2,50 × 10⁵ C. L’énergie électrique reçue vaut :

    • A. 6,25 × 10⁴ J
    • B. 1,00 × 10⁶ J
    • C. 1,60 × 10⁻⁵ J
    • D. 2,78 × 10² J
    Réponse

    B. 1,00 × 10⁶ J — E = U × Q = 4,00 × 2,50 × 10⁵ = 1,00 × 10⁶ J (soit 278 W·h, et non 278 J).

  12. L’équation 2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(ℓ) d’une pile à combustible a avancé de x = 1,5 × 10⁻³ mol. Les électrons échangés valent :

    • A. 1,5 × 10⁻³ mol
    • B. 3,0 × 10⁻³ mol
    • C. 1,2 × 10⁻² mol
    • D. 6,0 × 10⁻³ mol
    Réponse

    D. 6,0 × 10⁻³ mol — Deux molécules de H₂ cèdent chacune 2 électrons, que la molécule de O₂ capte : l’équation en échange 4, donc n(e⁻) = 4 × x = 6,0 × 10⁻³ mol. Compter les électrons d’une seule molécule de H₂ donne 3,0 × 10⁻³ mol ; ajouter les électrons cédés et les électrons captés, qui sont les mêmes, donne le double, 1,2 × 10⁻² mol.

Niveau difficile ★★★ — 12 questions

  1. Une pile est usée lorsque :

    • A. Qr est devenu nul dans les deux compartiments
    • B. K est devenue égale à 1 en fin de décharge
    • C. l’intensité qu’elle débite devient maximale
    • D. Qr a atteint K ou qu’un réactif est épuisé
    Réponse

    D. Qr a atteint K ou qu’un réactif est épuisé — Le fonctionnement fait tendre Qr vers K ; la pile ne débite plus à l’équilibre, ou plus tôt si un réactif disparaît. K ne dépend que de la température.

  2. À l’anode d’une pile et à l’anode d’un électrolyseur :

    • A. il se produit une réduction, au pôle négatif
    • B. il se produit une oxydation, mais la polarité diffère
    • C. oxydation dans la pile, réduction dans l’électrolyseur
    • D. réduction dans la pile, oxydation dans l’électrolyseur
    Réponse

    B. il se produit une oxydation, mais la polarité diffère — « Anode = oxydation » vaut partout ; l’anode est le pôle − d’une pile, mais elle est reliée au pôle + du générateur dans un électrolyseur.

  3. Le rendement faradique d’une électrolyse industrielle est inférieur à 100 % parce que :

    • A. la constante de Faraday n’est qu’une valeur approchée
    • B. l’intensité du générateur n’est jamais tout à fait constante
    • C. une partie de la charge alimente des réactions parasites
    • D. l’avancement maximal n’est jamais atteint en industrie
    Réponse

    C. une partie de la charge alimente des réactions parasites — Une partie des électrons sert à d’autres couples, souvent ceux de l’eau : la masse obtenue est inférieure à celle que permet la charge.

  4. Pour un dépôt de nickel à partir d’ions Ni²⁺, un élève écrit n(e⁻) = n(Ni). Cette relation est :

    • A. fausse : il faut n(e⁻) = 2 × n(Ni)
    • B. fausse : il faut n(e⁻) = n(Ni) ÷ 2
    • C. correcte, si le rendement vaut 100 %
    • D. correcte : un ion capte un électron
    Réponse

    A. fausse : il faut n(e⁻) = 2 × n(Ni) — Ni²⁺ + 2 e⁻ → Ni : deux électrons par atome déposé, quel que soit le rendement.

  5. On peut inverser la polarité d’une pile fer-cadmium en changeant les concentrations, mais pas celle d’une pile zinc-cuivre, car :

    • A. le zinc et le cuivre sont des solides absents du quotient Qr
    • B. les ions Zn²⁺ et Cu²⁺ ne peuvent pas traverser le pont salin
    • C. la constante zinc-cuivre est si grande que Qr,i reste inférieur à K
    • D. la constante zinc-cuivre est inférieure à 1 à température ambiante
    Réponse

    C. la constante zinc-cuivre est si grande que Qr,i reste inférieur à K — Avec K ≈ 10³⁷, aucune concentration réalisable ne rend Qr,i supérieur à K : le zinc est toujours oxydé. Avec K ≈ 18, Qr,i peut être plus grand ou plus petit que K.

  6. Pendant la charge d’un accumulateur au plomb, l’électrode de plomb, borne − de la batterie :

    • A. est reliée au pôle − du chargeur et devient la cathode
    • B. est reliée au pôle + du chargeur, car les bornes changent de signe
    • C. est reliée au pôle − du chargeur et reste l’anode
    • D. est reliée au pôle + du chargeur et devient l’anode
    Réponse

    A. est reliée au pôle − du chargeur et devient la cathode — Les bornes gardent leur signe : la borne − va au pôle − du chargeur, qui lui fournit des électrons. PbSO₄ y est réduit en plomb : l’anode de la décharge devient la cathode de la charge.

  7. Électrolyse d’une solution aqueuse de chlorure de sodium : à la cathode, un gaz qui détone à l’approche d’une flamme se dégage. On en déduit que :

    • A. les ions sodium y sont réduits en sodium
    • B. l’eau y est réduite en dihydrogène
    • C. les ions chlorure y sont oxydés en dichlore
    • D. l’eau y est oxydée en dioxygène
    Réponse

    B. l’eau y est réduite en dihydrogène — La cathode est le siège d’une réduction, et la détonation caractérise le dihydrogène : c’est l’eau, et non Na⁺, qui est réduite.

  8. Dans une pile zinc-cuivre, les ions Cu²⁺ sont le réactif limitant. Pour augmenter sa capacité, il faut :

    • A. une lame de zinc plus épaisse et donc plus lourde
    • B. une solution de sulfate de zinc plus concentrée
    • C. un pont salin plus court entre les deux béchers
    • D. plus d’ions Cu²⁺ : un volume ou une concentration plus grands
    Réponse

    D. plus d’ions Cu²⁺ : un volume ou une concentration plus grands — La capacité est fixée par le réactif limitant : seule une plus grande quantité d’ions Cu²⁺ l’augmente.

  9. Une pile à combustible cesse de débiter :

    • A. quand on cesse de l’alimenter en dihydrogène
    • B. quand son quotient Qr atteint la valeur de K
    • C. quand ses électrodes sont entièrement dissoutes
    • D. quand l’eau formée remplit tout son réservoir
    Réponse

    A. quand on cesse de l’alimenter en dihydrogène — Ses réactifs sont apportés en continu et l’eau est évacuée : elle s’arrête faute de combustible, pas à l’équilibre.

  10. Une pile zinc-cuivre débite pendant plusieurs heures. Sa tension à vide, mesurée de temps en temps :

    • A. reste constante, car K ne dépend que de la température
    • B. augmente, car des ions Zn²⁺ s’accumulent dans la solution
    • C. s’annule dès que le circuit extérieur est fermé
    • D. diminue, car Qr augmente et se rapproche de K
    Réponse

    D. diminue, car Qr augmente et se rapproche de K — En débitant, la pile avance dans le sens direct : [Zn²⁺] augmente, [Cu²⁺] diminue, Qr se rapproche de K et la tension à vide baisse. K, elle, ne change pas.

  11. On remplace la lame de cuivre d’une pile zinc-cuivre par une lame plus épaisse, sans changer les solutions. La tension à vide :

    • A. augmente, car il y a plus de cuivre à réduire
    • B. ne change pas : un solide ne figure pas dans Qr
    • C. diminue, car la lame gêne la migration des ions
    • D. devient nulle, car Qr devient alors égal à K
    Réponse

    B. ne change pas : un solide ne figure pas dans Qr — Le cuivre solide n’intervient pas dans le quotient de réaction : l’état du système, donc la tension à vide, est inchangé.

  12. Le dihydrogène produit par électrolyse de l’eau ne réduit les rejets de dioxyde de carbone que si :

    • A. l’électrolyse est réalisée en milieu acide
    • B. son rendement faradique atteint 100 %
    • C. l’électricité utilisée est elle-même peu carbonée
    • D. on le brûle au lieu de le mettre dans une pile
    Réponse

    C. l’électricité utilisée est elle-même peu carbonée — L’électrolyse consomme beaucoup d’électricité : si elle vient du charbon ou du gaz, le dioxyde de carbone est rejeté à la centrale.

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