TP Chimie. N° 08

Étude de piles

d'oxydoréduction. 

Correction.

 

   

 

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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 C1,0 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 /strong>

 

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).

Schéma du dispositif : 

-  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. 

-  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)

RédigerComment 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 W. /strong>

-  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.

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

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 = Fe 2+  +  2 e-

Équation de fonctionnement : Fe  +  Cu2+   =   Fe 2+   +   Cu

 

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Pile Cuivre - Zinc

Pile Cuivre - Zinc

Électrode + : électrode de cuivre

Cathode : Réduction : Demi-équation : Cu2+  +  2 e  =  Cu

Électrode - : électrode de zinc.

Anode : Oxydation : Demi-équation : Zn  =  Zn 2+  +  2 e

Équation de fonctionnement : Zn   +   Cu2+   =   Zn 2+   +   Cu

 

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Pile Cuivre - Plomb

Pile Cuivre - Plomb

Électrode + : électrode de cuivre

Cathode : Réduction : Demie-équation : Cu2+  +  2 e =   Cu

Électrode - : électrode de plomb.

Anode : Oxydation : Demi-équation : Pb  =  Pb 2+  +  2 e

Équation de fonctionnement : Pb   +   Cu2+   =   Pb 2+   +   Cu

 

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Pile Fer - Zinc

Pile Fer - Zinc :

Électrode + : électrode de fer

Cathode : Réduction : Demie-équation : Fe2+  +  2 e =  Fe

Électrode - : électrode de zinc.

Anode : Oxydation : Demi-équation : Zn  =  Zn 2+  +  2 e

Équation de fonctionnement : Zn   +   Fe2+   =   Zn 2+   +   Fe

 

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Pile  Plomb - Fer

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+   =   Fe 2+   +   Pb

 

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Pile  Plomb - Zinc

Pile Plomb - Zinc 

Électrode + : électrode de plomb

Cathode : Réduction : Demie-équation : Pb2+  +  2 e = Pb

Électrode - : électrode de zinc.

Anode : Oxydation : Demi-équation : Zn = Zn 2+  +  2 e

Équation de fonctionnement : Zn   +   Pb2+   =   Zn 2+   +   Pb

Tableau des mesures : 

Pile formée

Schéma

conventionnel

Électrode

positive

Électrode

négative

f.é.m. 

(V)

Demi-équations

électroniques

Équation de

fonctionnement

Cu

Pb

0,464

Pb  = Pb 2+ +  2 e

Cu 2+ +  2 e  = Cu

Pb + Cu 2+ = Pb  2+ + Cu 

Cu

Fe

0.540

Fe  = Fe 2+ +  2 e

Cu 2+ + 2 eCu

 

Fe + Cu 2+ = Fe  2+ + Cu 

Fe

Zn

0.554

  Zn  = Zn 2+ +  2 e  

Fe 2+ +  2 e  = Fe

Zn + Fe 2+ = Zn  2+ + Fe 

Pb

Zn

0.636

Zn  = Zn 2+  +  2 e  

Pb 2+  +  2 e  = Pb

Zn + Pb 2+ = Zn  2+ + Pb 

Cu

Zn

1,099

Zn  = Zn 2+ +  2 e

Cu 2+ +  2 e  = Cu

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu 

Pb

Fe

0,084

Fe  = Fe 2+ +  2 e

 Pb 2+  +  2 e  = Pb

Fe + Pb 2+ = Fe 2+ + 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.

-  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.

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

-  Comment évoluent les masses des électrodes ? 

-  Quel est le rôle du pont salin ?

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 eCu

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 : Cu 2+ +  2 eCu.

-  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 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.

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.

-  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.

[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   V

1.10

1,13

1,16

1,18

Q r, i

 

 

 

 

log Q r, 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.

-  Équation de fonctionnement :

Zn (s) + Cu 2+ (aq) = Zn  2+ (aq) + Cu (s) 

-  Quotient de réaction : 

[Zn 2+]

Q r


[Cu 2+]  

-  Quotient de réaction dans l’état initial : 

[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.

Demi-équation 1

                Zn Zn 2+ +  2 e

Demi-équation 2

            Cu 2+ +  2 eCu

Bilan

Zn (s) + Cu 2+ (aq) = Zn  2+ (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 :

-  

    M

 


 

Nitrate de Plomb II Sulfate de cuivre II Pont - Salin Pb Cu Fe Pont - Salin Cu Pont - Salin Zn Cu Solution de sulfate de zinc II Solution de sulfate de fer II acidifiée Pont - Salin Zn Fe