Réalisation et étude d’une pile

I. Réalisation d’une pile cuivre-zinc :

1. Expériences préliminaires : Réaliser les deux expériences suivantes en parallèle :

Réaction entre les ions une solution de sulfate de cuivre et du métal zinc § Mettre une spatule de poudre de métal zinc dans un tube à essais § Ajouter environ 2mL de solution de sulfate de cuivre II § Agiter Observations : Interprétation :

Réaction entre les ions une solution de sulfate de zinc et du métal cuivre § Mettre un morceau de tournure de cuivre dans un tube à essais § Ajouter environ 2mL de solution de sulfate de zinc § Agiter Observations : Interprétation :

Conclusion :

2. But de la réalisation d’une pile :

Empêcher le transfert direct d’électrons en les faisant passer par un chemin extérieur à la solution.

3. Montage :

§ Définir ce qu’est une demi-pile : § Rôle du pont salin : (Le pont salin entre deux piles est assuré par une solution de chlorure de potassium) § Porteurs de charge dans le pont salin ? Dans les fils de connexion ?

§ Compléter le schéma en indiquant le sens du courant et les pôles de la pile.

4. Modélisation de la transformation chimique ayant lieu dans la pile :

§ Donner les couples oxydant/réducteur en jeu et écrire les équations des réactions qui ont lieu dans chaque demi pile. Identifier la demi pile siège d’une oxydation et celle qui est le siège d’une réduction. Préciser la nature et la polarité des lames.

Demi pile	Couples	Equations	Type de transformation	Nature et polarité de la lame
Cuivre
Zinc

§ En déduire l’équation de la réaction chimique globale qui a lieu dans la pile. Comparer avec la réaction de la manipulation 1.

Bilan :

§ Pour chaque demi pile, préciser l’évolution des concentrations des ions et des masses des lames :

Cuivre

Zinc

§ Calculer le quotient de la réaction initiale Q_r,i en utilisant les concentrations de Cu²⁺ et Zn²⁺ dans chaque bécher.

§ La réaction globale de la pile possède une constante d’équilibre égale à 10³⁶. La transformation globale de la pile suit-elle le critère d’évolution d’un système chimique ?

5. Schématisation de la pile :

La pile réalisée précédemment peut être schématisée de la façon suivante :

^- Zn(s)/Zn²⁺⁽aq)//Cu²⁺(aq)/Cu(s) ⁺

II. Facteurs influençant la fém d’une pile :

1. Tension aux bornes de la pile et Force électromotrice d’une pile :

On remplace l’ampèremètre par un voltmètre qui mesure la tension aux bornes de la pile.

§ Que peut-on dire de l’intensité du courant débité par la pile quand le voltmètre est placé entre ses pôles ? Quelle grandeur caractéristique de la pile mesure-t-on alors ?

§ Indiquer sur le schéma les bornes COM et V du voltmètre qui permet de mesurer la tension UAB. § Rappel : Définition de la tension électrique : UAB = VA – VB où VA et VB sont les potentiels des électrodes A et B Si UAB > 0, VA > VB A est alors le pôle + (cathode) B est le pôle – (anode)

2. Influence des couples mis en jeu :

Réaliser les demi-piles suivantes, en utilisant des solutions de même concentration (C=10^-2mol.L^-1):

• Demi pile au cuivre: Lame de cuivre dans solution de sulfate de cuivre
• Demi-pile au zinc: Lame de zinc dans solution de sulfate de zinc
• Demi-pile au fer: Lame de fer dans solution de sulfate de fer

Précautions: chaque bécher doit contenir le même niveau de solution pour éviter le phénomène de siphon

Manipulation et Mesures:

§ Réaliser les piles figurant dans le tableau suivant

§ Indiquer les bornes COM et V du voltmètre permettant de mesurer la tension indiquée sur le schéma.
Réaliser la mesure.

§ En déduire laquelle des électrodes est la cathode (pôle +) et laquelle est l’anode (pôle -)

§ En déduire les demi équations qui ont lieu à chaque électrode

§ Donner la valeur de E la fem de la pile

Cuivre – Zinc	UCu/Zn =	E =
	Cathode :
	Anode :
Cuivre – Fer	UCu/Fe =	E =
	Cathode :
	Anode :
Fer – Zinc	UZn/Fe =	E =
	Cathode :
	Anode :
Cu – Argent	UCu/Ag =	E =
	Cathode :
	Anode :
Argent – zinc	UAg/Zn =	E =
	Cathode :
	Anode :

3. Influence des concentrations :

Réaliser les demi piles suivantes :

• Demi pile au cuivre: Lame de cuivre dans solution de sulfate de cuivre (C=10^-2mol.L^-1)
• Demi pile au zinc: Lame de zinc dans solution de sulfate de zinc (C=10^-2mol.L^-1)
• Demi pile au cuivre: Lame de cuivre dans solution de sulfate de cuivre (C=10^-3mol.L^-1)
• Demi pile au zinc: Lame de zinc dans solution de sulfate de zinc (C=10^-1mol.L^-1)

§ Réaliser les piles figurant dans le tableau suivant

§ Mesurer la fem E de chaque pile (on rappelle que Cu est la cathode de la pile)

Pile	Concentration solution Cu^2+	Concentration solution Zn^2+	E (V)
Cuivre – Zinc	10^-2mol.L^-1	10^-2mol.L^-1
Cuivre – Zinc	10^-3mol.L^-1	10^-1mol.L^-1

§ Conclusion

§ Application : évolution de la fem d’une pile au cours de son fonctionnement

Remplir le tableau suivant :

Avancement de la réaction de fonctionnement	Evolution de la concentration en ion Cu^2+	Evolution de la concentration en ion Zn^2+	Evolution de E
x=0
0 < x < xf
xf

III. Intensité débitée par la pile cuivre-zinc :

1. Manipulation :

§ On réalise le circuit correspondant au schéma du montage établi en I.3., pour lequel R=27Ω



On donne [Zn²⁺]₀ = [Cu²⁺]₀ = 1,0.10^-2mol.L^-1
(concentrations effectives des ions présents dans le pile au départ)

§ Mesurer l’intensité du courant débité par la pile (1). I =

2. Exploitation :

On cherche à prévoir la durée de fonctionnement Δt de la pile.

§ En supposant le courant d’intensité I constant pendant toute la durée de fonctionnement de la pile. Exprimer le nombre d’électrons N_e- mis en jeu pendant cette durée Δt.
On rappelle que chaque électron porte une quantité d’électricité

§ En déduire l’expression de la quantité d’électrons n_e- correspondante :

§ Compléter le tableau d’avancement :

Remarques :

- On appelle V le volume de chaque solution et on le considère identique dans chaque demi pile

- une nouvelle colonne utile au calcul s’ajoute : quantité d’électrons (en mol) mis en jeu lors de la
transformation

- on appelle m₀(Zn) et m₀(Cu) les masses initiales des électrodes de Zinc et de Cuivre inconnues
et donc n₀(Zn) et n₀(Cu) les quantités initiales de Zn et de Cu.

- On supposera que les lames constituant les pôles de la pile n’ont pas disparu une fois la pile « vide ».

					Qté d’électrons mis en jeu
x=0	[Cu^2+]0.V	n0(Zn)	n0(Cu)	[Zn^2+]0.V	0
0 < x < xf
xf

§ Quel est le réactif limitant. En déduire x_f.

§ Montrer que

§ En déduire Δt.

§ Exprimer en fonction de I, Δt, N_A et e les concentrations finales de chaque espèce ionique lorsque la pile est usée. Calculer ces concentrations.

§ Exprimer les variations de masses Δm=m_f-m₀ de chaque électrode en fonction de I, Δt, N_A et e. Calculer ces variations.