Corrigé Mines-Ponts 2026 Chimie MP — Partie 1 (Q1 à Q6) : Procédé électro-Fenton : électrolyse et courbes courant-potentiel

Sujet officiel du concours Mines-Ponts, session 2026, épreuve Chimie MP. Corrigé rédigé par Ibrahim Alame.

Énoncé

Dans le procédé électro-Fenton, les radicaux hydroxyle $HO X^{∙}$ , très oxydants, sont produits par la réaction de Fenton entre $Fe X^{2 +}$ et $H X_{2} O X_{2}$ , deux réactifs eux-mêmes formés in situ par électrolyse d'une solution acide saturée en dioxygène et contenant une quantité catalytique d'ions fer (figures 1 et 2).

Figure 1 — Schéma de production électrochimique des radicaux hydroxyle.

Figure 2 — Dispositif « électro-Fenton » à compléter.

Q1. Qui, du dichlore $Cl X_{2}$ ou des radicaux hydroxyle, est le plus oxydant ? Justifier.
Q2. Identifier l'anode et la cathode parmi les électrodes A et B (figure 1). Justifier.
Q3. Compléter la figure 2 par un générateur et un ampèremètre mesurant l'intensité qu'il délivre ; indiquer les polarités du générateur et le sens de déplacement des électrons.

On relève sur support carbone/graphite la courbe intensité-potentiel (figure 3, sans graduations) d'une solution acide contenant du dioxygène dissous et des ions $Fe X^{2 +}$ . Les systèmes $O X_{2} / H X_{2} O X_{2}$ (surpotentiel cathodique d'environ $- 0, 5 V$ ) et $O X_{2} / H X_{2} O$ (surpotentiel anodique d'environ $+ 0, 5 V$ ) sont lents, le système $Fe X^{3 +} / Fe X^{2 +}$ est rapide.

Figure 3 — Courbe intensité-potentiel.

Q4. Schématiser le montage permettant de tracer cette courbe et nommer chaque électrode.
Q5. Reproduire la courbe en indiquant, sur chaque portion, l'équation de la réaction électrochimique qui a lieu.
Q6. Estimer la tension minimale à appliquer entre les deux électrodes de la figure 2 pour former $H X_{2} O X_{2} (aq)$ à la cathode et $O X_{2} (g)$ à l'anode. Justifier.

Données (25 °C) : $E^{\circ} (HO X^{∙} / H X_{2} O) = 2, 80 V$ ; $E^{\circ} (Cl X_{2} / Cl X^{-}) = 1, 36 V$ ; $E^{\circ} (O X_{2} / H X_{2} O X_{2}) = 0, 69 V$ ; $E^{\circ} (Fe X^{3 +} / Fe X^{2 +}) = 0, 68 V$ (milieu sulfurique) ; $E^{\circ} (O X_{2} / H X_{2} O) = 1, 23 V$ ; $E^{\circ} (H X^{+} / H X_{2}) = 0, 00 V$ ; $\frac{R T}{F} ln x \approx 0, 06 lo g x$ (en V).

Corrigé

Q1. On compare les pouvoirs oxydants par les potentiels standard des couples : plus $E^{\circ}$ est élevé, plus l'oxydant du couple est fort. Ici

$E^{\circ} (HO X^{∙} / H X_{2} O) = 2, 80 V > E^{\circ} (Cl X_{2} / Cl X^{-}) = 1, 36 V,$

donc le radical hydroxyle est un oxydant nettement plus fort que le dichlore (c'est même l'un des oxydants les plus puissants utilisables en solution aqueuse, d'où la minéralisation totale des polluants organiques). Ce que le correcteur attend : la comparaison des potentiels standard, pas un argument d'électronégativité ou de nombres d'oxydation d'éléments différents.

Q2. Par définition, l'anode est l'électrode où a lieu une oxydation (perte d'électrons), la cathode celle où a lieu une réduction (gain d'électrons).

Sur l'électrode A, l'eau perd des électrons : $H X_{2} O \frac{1}{2} O X_{2} + 2 H X^{+} + 2 e X^{-}$ ; c'est une oxydation : A est l'anode.
Sur l'électrode B, le dioxygène et les ions fer(III) gagnent des électrons : $O X_{2} + 2 H X^{+} + 2 e X^{-} H X_{2} O X_{2}$ et $Fe X^{3 +} + e X^{-} Fe X^{2 +}$ ; ce sont des réductions : B est la cathode.

Dans le dispositif de la figure 2, A est la plaque de graphite et B le feutre de carbone. La réaction de Fenton, $Fe X^{2 +} + H X_{2} O X_{2} + H X^{+} Fe X^{3 +} + H X_{2} O + HO X^{∙}$ , est une réaction chimique en solution (non électrochimique) ; le fer(III) formé diffuse vers la cathode où il est réduit en fer(II) : le fer joue le rôle de catalyseur, d'où la quantité seulement catalytique d'ions fer. Le dioxygène formé à l'anode diffuse vers la cathode et y est réduit, et l'eau produite retourne à l'anode.

Q3. Le générateur impose une transformation non spontanée : c'est une électrolyse. Dans un électrolyseur, l'anode (siège de l'oxydation) est reliée à la borne $+$ du générateur et la cathode à la borne $-$ . L'ampèremètre, qui doit mesurer l'intensité délivrée par le générateur, est placé en série avec lui.

Les électrons sont arrachés à l'eau à l'anode : ils quittent la plaque de graphite par le fil, entrent dans le générateur par sa borne $+$ , en ressortent par sa borne $-$ , traversent l'ampèremètre et arrivent au feutre de carbone, où ils sont consommés par la réduction de $O X_{2}$ et de $Fe X^{3 +}$ . Le courant électrique $i$ circule en sens inverse dans le circuit extérieur (de la borne $+$ vers l'anode) ; dans la solution, ce sont les ions qui assurent le passage du courant (le sulfate de sodium ajouté sert d'électrolyte support). Ce que le correcteur attend : l'ampèremètre en série (et non en dérivation), un sens des électrons cohérent avec les polarités, et pas de confusion avec une pile (dans une pile, l'anode est la borne $-$ ).

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