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Étude de piles d'oxydoréduction. Correction. |
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Programme 2012 : Physique et Chimie Programme 2020 : Physique et Chimie |
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Matériel : 5 Béchers (par groupe) Pont salin (bandes de papier filtre) Pour chaque groupe : Lames de cuivre, de zinc, de fer, de plomb Solutions de sulfate de cuivre II, de sulfate de zinc II, de sulfate de fer II (sel de Mohr), de nitrate de plomb II, Solution de chlorure de potassium de concentration (ou nitrate d’ammonium) C ≈ 0,10 mol / L. Solution de soude de concentration CB = 1,0 mol / L Papier filtre – verre à pied – Multimètre (1) – fils de connexion (2) – pinces crocodiles rouges et noires – toile émeri. Remarque : la solution de sel de Mohr est légèrement
acidifiée et fraîchement
préparée. |
I- But.
Étudier le fonctionnement de quelques piles d’oxydoréduction.
II- Fonctionnement d’une pile.
1)- Expériences.
À l’aide de différentes lames métalliques, de béchers et des solutions réaliser
les demi-piles suivantes :
- Fe 2+ / Fe ; Zn 2+ / Zn ; Cu 2+ / Cu; Pb 2+ / Pb
- Modèle : demi-pile
Faire un schéma du dispositif indiquant
comment à partir de 2 demi-piles, on peut constituer une pile.
- En donner un montage équivalent à l’aide d’un vase poreux (papier filtre imbibé de solution de chlorure de potassium ou de nitrate d’ammonium).
Schéma du dispositif :
- Exemple :
2)- Mesures.
Réaliser une pile à partir de deux demi-piles, puis à l’aide d’un voltmètre
électronique mesurer la tension qui existe entre les deux lames métalliques.
- Bien décaper les lames avant de les utiliser comme électrodes et changer le pont salin réalisé avec le papier filtre entre chaque mesure.
- Reproduire cette mesure en réalisant toutes les piles possibles à partir des demi-piles.
- Repérer la façon dont on a branché le voltmètre électronique (borne V et borne COM)
Comment
se nomme et se note la valeur absolue de la tension mesurée par le voltmètre
électronique ?
- Cette grandeur est la force électromotrice ou f.é.m. d’une pile ou d’un générateur.
- Pour mesurer la f.é.m. d’une pile ou d’un générateur, on utilise un voltmètre électronique.
- Un voltmètre électronique possède une grande résistance interne r ≈ 107 Ω.
- En conséquence, lors de la mesure, la pile débite un courant d’intensité très faible.
- La tension mesurée est sensiblement égale à la force électromotrice de la pile.
- Le voltmètre mesure la tension U = (VM1 – VM2) I = 0
- Cette grandeur est positive, négative ou nulle.
- C’est une grandeur algébrique. Son unité est le volt (V).
- La valeur absolue désigne la force électromotrice E de la pile constituée : E = | U | = | (VM1 – VM2) I = 0 |
- Son unité est le volt (V).
- Exemple :
- On peut écrire dans l’exemple de la pile Zinc – Cuivre : U = (VCu – VZn) I = 0 = E Cu–Zn ≈ 1,1 V
3)- Exploitation des mesures.
- À partir du branchement du voltmètre électronique et de la valeur de la tension mesurée, indiquer dans un tableau pour chaque pile :
- La force électromotrice f.é.m.
- La polarité de chaque électrode.
- Le schéma
conventionnel de la pile en utilisant le modèle suivant :
- Les demi-équations électroniques à chaque électrode.
- L’équation de fonctionnement de la pile.
- Quel type de réaction a toujours lieu à la borne positive de la pile et quel type de réaction a toujours lieu à la borne négative de la pile ?
- Comment nomme-t-on la borne positive et la borne négative d’une pile ?
- Il se produit une réduction à la borne positive (+).
- La réduction se produit à la cathode qui est dans ce cas l’électrode positive.
- Il se produit une oxydation à la borne négative (–).
- L’oxydation se produit à l’anode qui est dans ce cas l’électrode négative.
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Pile formée Schéma conventionnel |
Électrode positive |
Électrode négative |
f.é.m. (V) |
Demi-équations électroniques |
Équation de fonctionnement |
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Pile Cuivre - Fer
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La pile cuivre - fer : Électrode + : électrode de cuivre Cathode : Réduction : Demie-équation : Cu2+ + 2 e- = Cu Électrode - : électrode de fer. Anode : Oxydation : Demi-équation : Fe = Fe2+ + 2 e- Équation de fonctionnement : Fe + Cu2+ = Fe2+ + Cu |
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Pile Cuivre - Zinc
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Pile Cuivre - Zinc Électrode + : électrode de cuivre Cathode : Réduction : Demi-équation : Cu2+ + 2 e – = Cu Électrode - : électrode de zinc. Anode : Oxydation : Demi-équation : Zn = Zn2+ + 2 e – Équation de fonctionnement : Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu |
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Pile Cuivre - Plomb Électrode + : électrode de cuivre Cathode : Réduction : Demie-équation : Cu2+ + 2 e – = Cu Électrode - : électrode de plomb. Anode : Oxydation : Demi-équation : Pb = Pb2+ + 2 e – Équation de fonctionnement : Pb + Cu2+ = Pb2+ + Cu |
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Pile Fer - Zinc
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Pile Fer - Zinc : Électrode + : électrode de fer Cathode : Réduction : Demie-équation : Fe2+ + 2 e – = Fe Électrode - : électrode de zinc. Anode : Oxydation : Demi-équation : Zn = Zn2+ + 2 e – Équation de fonctionnement : Zn + Fe2+ = Zn2+ + Fe |
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Pile Plomb - Fer Électrode + : électrode de plomb Cathode : Réduction : Demie-équation : Pb2+ + 2 e – = Pb Électrode - : électrode de fer. Anode : Oxydation : Demi-équation : Fe = Fe 2+ + 2 e – Équation de fonctionnement : Fe + Pb2+ = Fe2+ + Pb |
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Pile Plomb - Zinc
Électrode
+
: électrode de plomb
Cathode
: Réduction
: Demie-équation : Pb2+
+ 2 e–
= Pb
Électrode
-
: électrode de zinc. Équation de fonctionnement : Zn + Pb2+ = Zn2+ + Pb |
Tableau des mesures :
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Pile
formée Schéma
conventionnel |
Électrode positive |
Électrode
négative |
f.é.m.
(V) |
Demi-équations
électroniques |
Équation de
fonctionnement |
|
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Cu |
Pb |
0,464 |
Pb = Pb2+ + 2
e –
Cu2+ +
2
e –
|
|
|
|
Cu |
Fe |
0.540 |
Fe = Fe2+ +
2
e –
Cu2+ + 2
e – = Cu
|
|
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|
Fe |
Zn |
0.554 |
Zn
= Zn2+ +
2
e –
Fe2+ +
2
e –
|
Zn
+ Fe2+
= Zn2+
+ Fe |
|
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Pb |
Zn |
0.636 |
Zn
= Zn2+
+
2
e –
|
Zn + Pb2+ = Zn 2+ + Pb |
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Cu |
Zn |
1,099 |
Zn
= Zn2+ +
2
e –
Cu2+ +
2
e –
|
Zn
+ Cu
2+
= Zn
2+
+ Cu |
|
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Pb |
Fe |
0,084 |
Fe = Fe2+ + 2
e –
Pb2+
+
2
e –
|
Fe + Pb2+ = Fe2+ + Pb |
III- Étude complémentaire.
1)- Pile plomb – zinc.
Réaliser un schéma sur lequel on indiquera :
- Le sens de déplacement des porteurs de charge à l’intérieur et à l’extérieur de la pile
- Le sens du courant.
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- Le fonctionnement de la pile se déduit de la mesure de la f.é.m. ou du sens de déplacement du courant.
- Exemple : Lorsque l’on mesure la f.é.m. de la pile zinc – cuivre, on trouve :
- U = (VCu – VZn) I = 0 = E Cu–Zn ≈ 1,1 V
- Cette f.é.m. est positive.
- En conséquence, l'électrode de cuivre est l'électrode positive et l'électrode de zinc est l'électrode négative.
Comment évoluent les concentrations des ions dans chaque demi-pile ?
- Comment évoluent les masses des électrodes ?
- Quel est le rôle du pont salin ?
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Pile
formée Schéma
conventionnel |
Électrode positive |
Électrode
négative |
f.é.m.
(V) |
Demi-équations
électroniques |
Équation de
fonctionnement |
|
|
Cu |
Zn |
1,099 |
Zn
= Zn2+ + 2
e –
Cu2+ + 2
e – = Cu
|
Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu |
- La demi-pile Cu2+/ Cu consomme des ions cuivre II : leur concentration diminue.
- La demi-pile Zn2+/ Zn forme des ions zinc II : leur concentration augmente.
- La masse de l’électrode de cuivre augmente car : Cu2+ + 2 e – = Cu.
- La masse de l’électrode de zinc diminue car : Zn = Zn2+ + 2 e –.
- Le pont salin : il est constitué d’un ruban de papier filtre imbibé de chlorure de potassium ou de nitrate de potassium ou de nitrate d’ammonium.
- L’électroneutralité de chaque solution est maintenue grâce à la circulation des ions dans le pont salin.
- Dans le pont salin, le courant électrique est dû à la double migration des ions positifs et négatifs se déplaçant en sens inverses.
- Les ions positifs se déplacent dans le sens du courant et les ions négatifs se déplacent dans le sens inverse du sens du courant.
- Les ions se déplacent dans les solutions et le pont salin et les électrons se déplacent dans les fils conducteurs.
2)- Influence de la concentration.
Réaliser
la pile cuivre – zinc.
- Mesurer la force électromotrice de cette pile.
- Verser lentement la solution de soude dans le bécher contenant la solution de sulfate de cuivre II.
- Après chaque ajout, mesurer la force électromotrice de la pile.
Comment évolue la force électromotrice ?
Écrire la réaction de précipitation. Conclusion.
- Lorsqu’on ajoute la solution de soude dans le bécher contenant la solution de sulfate de cuivre II,
- il se forme un précipité d’hydroxyde de cuivre II.
- En conséquence, la concentration en ions cuivre II diminue.
- Cu2+ (aq) + 2 HO – (aq) → Cu (HO)2 (s)
- Lorsqu’on ajoute la soude, la f.é.m. de la pile diminue.
- La force électromotrice de la pile dépend de la concentration en ions cuivre II.
- Elle diminue lorsque la concentration en ions cuivre II diminue.
- Elle dépend aussi de la concentration en ion zinc II.
3)- Application : La pile Daniell Zn – Cu.
On veut étudier l’influence de la concentration en ions zinc II sur la f.é.m. d’une pile Daniell.
On réalise 4 piles Daniell en utilisant 4 solutions de sulfate de zinc de concentrations :
C1 = 1,0 mol / L, puis, C2 = 0,10 mol / L, C3 = 0,010 mol / L et C4 = 0,0010 mol / L.
On mesure chaque fois la f.é.m. de la pile ainsi réalisée.
La concentration de la solution de sulfate de cuivre II ne change pas et C = 1,0 mol / L.
Les mesures effectuées sont données dans le tableau suivant.
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[Zn
2+]
mol / L |
1,0 |
0,10 |
0,010 |
0,0010 |
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[Cu
2+]
mol / L |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
|
E
i
V |
1.10 |
1,13 |
1,16 |
1,18 |
|
Q r,
i |
|
|
|
|
|
log
Q r,
i |
|
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a)- Donner l’équation de fonctionnement de la pile. Donner l’expression du quotient de réaction.
- En déduire la valeur du quotient de réaction dans l’état initial pour chaque cas étudié.
- Compléter le tableau.
- Équation de fonctionnement :
Zn
(s)
+ Cu
2+
(aq)
= Zn
2+
(aq)
+ Cu
(s)
- Quotient de réaction :
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[Zn 2+] |
|
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Q r = |
|
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[Cu 2+] |
- Quotient de réaction dans l’état initial :
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[Zn 2+] i |
|
|
Q r,i = |
|
|
[Cu 2+] i |
|
[Zn
2+]
mol / L |
1,0 |
0,10 |
0,010 |
0,0010 |
|
[Cu
2+]
mol / L |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
|
E
i
volt V |
1.10 |
1,13 |
1,16 |
1,18 |
|
Q
r,
i |
1 |
0,1 |
0,01 |
0,001 |
|
log
Q
r, i |
0 |
-1 |
-2 |
-3 |
b)- Déterminer la valeur de E0, f.é.m. de la pile lorsque les deux cations métalliques des couples mises en jeu possèdent la même concentration.
- Du tableau, on tire : E0 ≈ 1,10 V.
c)- Tracer E en fonction de log Qr, i. Que représente l’ordonnée à l’origine ? Conclusion.
- L’ordonnée à l’origine représente E0, valeur de la f.é.m. lorsque les deux cations métalliques ont la même concentration.
d)- Comparer le résultat
obtenu à l’équation de Nernst :
.
n représente le nombre d’électrons échangés au cours de la transformation.
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Demi-équation 1 |
Zn = Zn2+ + 2 e – |
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Demi-équation 2 |
Cu2+ + 2 e – = Cu |
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Bilan |
Zn (s) + Cu2+ (aq) = Zn2+ (aq) + Cu (s) |
- Le nombre d'électrons échangés au cours de cette réaction est : n = 2.
- Ici,
on trouve :
.
- Les mesures sont cohérentes car cette relation est proche de la relation de Nernst :
- 
