Conduction électrique des solutions

Conducteurs (ils contiennent des électrons libres) : fil de cuivre, mine de crayon (graphite), cuillère en aluminium.

Isolants : règle en plastique, vitre en verre, gomme en caoutchouc.

• Eau distillée : ne conduit quasiment pas (aucune substance dissoute, donc aucun ion).
• Eau salée : conduit bien (ions $\text{Na}^{+}$ et $\text{Cl}^{-}$ dissous).
• Eau sucrée : ne conduit pas (le sucre se dissout en molécules neutres, pas en ions).
• Jus de citron : conduit (contient des ions dissous, notamment $\text{H}_3\text{O}^{+}$).
• Huile de cuisine : ne conduit pas (pas d'eau, pas d'ions dissous).

Cations (chargés positivement) : $\text{Na}^{+}$, $\text{Cu}^{2+}$, $\text{K}^{+}$.

Anions (chargés négativement) : $\text{Cl}^{-}$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{NO}_3^{-}$.

1) A, reliée à la borne −, est la cathode. B, reliée à la borne +, est l'anode.

2) Les ions $\text{Ca}^{2+}$ sont des cations : ils migrent vers la cathode A. Les ions $\text{Br}^{-}$ sont des anions : ils migrent vers l'anode B.

• a) Faux : l'eau pure conduit très peu, car elle ne contient presque pas d'ions.
• b) Faux : le sucre forme des molécules neutres, pas des ions.
• c) Faux : un cation est chargé positivement.
• d) Vrai.
• e) Faux : la cathode est reliée à la borne −.

• Sel de cuisine : conduit — dissociation complète en ions $\text{Na}^{+}$ et $\text{Cl}^{-}$.
• Sucre en poudre : ne conduit pas — se dissout en molécules neutres, aucun ion formé.
• Alcool pur : ne conduit pas — pas d'eau, pas d'ions libres.
• Vinaigre : conduit, mais faiblement — une partie seulement des molécules d'acide se dissocie en ions, la solution contient donc peu d'ions par rapport à l'eau salée.

1) À la cathode se forme du dihydrogène $\text{H}_2$, et à l'anode du dioxygène $\text{O}_2$.

2) Le rapport des volumes est de $2:1$ en faveur du dihydrogène. Le tube B (12 mL) contient exactement le double du tube A (6 mL) : le tube B correspond donc à la cathode (dihydrogène), et le tube A à l'anode (dioxygène).

La solution 2 contient quatre fois plus d'ions $\text{Na}^{+}$ et $\text{Cl}^{-}$ par litre que la solution 1. Or, plus une solution est concentrée en ions, mieux elle conduit le courant électrique. La lampe brillera donc beaucoup plus fort avec la solution 2 qu'avec la solution 1 : le courant électrique qui la traverse est plus intense.

1) $\text{Ag}^{+}$ est un cation : il migre vers l'électrode reliée à la borne −.

2) On observe un dépôt d'argent métallique brillant sur cette électrode.

3) Cette électrode est la cathode.

1. Le générateur impose le courant électrique dans le circuit. La lampe permet de voir si le courant passe (elle s'allume) ou non. Les électrodes (en graphite, qui ne réagit pas) assurent le contact électrique entre le circuit et la solution.

2. Le jus de citron contient des ions $\text{H}_3\text{O}^{+}$ et des ions citrate, libres de se déplacer dans la solution. Ce sont ces particules chargées mobiles qui transportent le courant électrique d'une électrode à l'autre : c'est pour cela que la lampe s'allume.

3. En diluant avec beaucoup d'eau, on garde les mêmes ions mais on les disperse dans un plus grand volume : la concentration en ions diminue. La solution conduit donc moins bien, et la lampe va briller moins fort, voire s'éteindre si la dilution est très importante.

1. Il s'agit d'un dépôt de cuivre métallique (rougeâtre), formé à partir des ions $\text{Cu}^{2+}$ qui atteignent la cathode.

2. La masse est proportionnelle à la durée : on calcule d'abord la masse déposée par minute.

3. On cherche la durée $t$ correspondant à $3{,}2$ g.

1. C'est Michael Faraday, en 1834.

2. À courant constant, doubler la durée revient à doubler la quantité d'électricité ayant traversé la solution. D'après le texte, la masse de matière déposée est directement liée à cette quantité d'électricité : elle double donc elle aussi.

3. Oui, c'est cohérent : à l'exercice 11, passer de 10 min à 20 min (durée doublée) ferait passer la masse de $0{,}64$ g à $1{,}28$ g (masse doublée), exactement comme le prévoit la loi énoncée par Faraday.

1. L'eau qui s'est infiltrée n'est jamais parfaitement pure : elle contient des sels et minéraux dissous, donc des ions. Cette eau devient alors conductrice et permet au courant de circuler là où il ne devrait pas passer (entre deux fils qui ne devraient pas être en contact électrique) : c'est le court-circuit.

2.

3. Par exemple : couper le disjoncteur général dès qu'un sol ou un mur est inondé, et ne jamais toucher une installation électrique humide avant l'intervention d'un professionnel.

1. L'aluminium n'existe pas à l'état métallique dans la nature. L'électrolyse est la seule méthode qui permet de transformer les cations aluminium (présents dans l'alumine fondue) en aluminium métallique, en imposant un courant électrique.

2.

3. L'électrolyse consomme énormément d'énergie électrique ; limiter cette consommation réduit les coûts de production de l'usine et son impact sur l'environnement.

1. Plus une solution contient d'ions, mieux elle conduit et plus la lampe brille fort. La lampe brillant très fort avec l'eau du puits 1, c'est cette eau qui contient le plus d'ions dissous (donc le plus de sels minéraux).

2. Le puits 2, dont l'eau est moins riche en sels dissous, convient mieux à l'irrigation : le risque d'assécher les racines des plants de tomates par excès de sel y est plus faible.

3. On peut, par exemple, refaire le test de conductivité en comparant précisément la luminosité des deux lampes côte à côte, ou mesurer l'intensité du courant avec un ampèremètre pour chaque puits.

1. Dans une électrolyse de galvanoplastie, l'objet à recouvrir (le bracelet) est placé comme cathode (reliée à la borne −). Les cations or présents dans la solution, attirés par cette électrode, s'y transforment en or métallique et forment une fine couche dorée à sa surface.

2.

3. Le dépôt d'or obtenu par électrolyse est une couche très fine (quelques micromètres), contrairement à l'or massif qui est doré dans toute son épaisseur. À force de frottements et d'usure, cette fine couche se perce par endroits et laisse apparaître le métal de base en dessous, moins doré.