TP Chimie. N° 08

Étude de

piles d'oxydoréduction. 

Enoncé.

 

   

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Programme 2012 :

Programme 2012 : Physique et Chimie

 

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 C= 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.

ManipulationÀ 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 

RédigerFaire 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).

-  Exemple :

2)- Mesures.

ManipulationRéaliser 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. 

ManipulationBien 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)

RédigerComment se nomme et se note la valeur absolue de la tension mesurée par le voltmètre électronique ?

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 ?

Pile formée

Schéma

conventionnel

Électrode

positive

Électrode

négative

f.é.m.

(V)

Demi-équations

électroniques

Équation

de

fonctionnement

III- Étude complémentaire.

1)- Pile plomb – zinc.

RédigerRéaliser 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.

RédigerComment évoluent les concentrations des ions dans chaque demi-pile ? 

-  Comment évoluent les masses des électrodes ? 

-  Quel est le rôle du pont salin ?

2)- Influence de la concentration.

ManipulationRéaliser 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.

RédigerComment évolue la force électromotrice ? Écrire la réaction de précipitation. Conclusion.

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 C= 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.

[ Zn2+ ] mol / L

1,0

0,10

0,010

0,0010

[ Cu2+ ] mol / L

1,0

1,0

1,0

1,0

E   V

1.10

1,13

1,16

1,18

Qr, i

 

 

 

 

log Qr, i

 

 

 

 

 

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.

b)- Déterminer la valeur de E0, f.é.m. de la pile lorsque les deux cations métalliques des couples mis en jeu possèdent la même concentration.

c)- Tracer E en fonction de log Q r, i

Que représente l’ordonnée à l’origine ? 

Conclusion.

d)- Comparer le résultat obtenu à l’équation de Nernst :

n représente le nombre d’électrons échangés au cours de la transformation.