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dimanche 19 novembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: Approche microscopique en chimie
  -  _ (Anciens programmes)  -  Chimie

Exercice 3: Piles

 

On considère un pile Daniell dont les couples oxydant réducteur impliqués sont Cu2+(aq)/Cu(s) et Zn2+(aq) /Zn(s). Elle est constituée en particulier d’une lame de cuivre plongeant dans une solution de sulfate de cuivre de concentration 1,0 mol.L−1 et d’une lame de zinc plongeant dans une solution de sulfate de zinc de concentration 0,30 mol.L−1. Chaque solution a ici un volume de 150 mL.On propose l’équation suivante pour décrire le fonctionnement de la pile :
    
Zn2+(aq) + Cu(s) = Zn(s) + Cu2+(aq)
1.         On constate que lors du fonctionnement de la pile, la masse de l’électrode de zinc diminue.
a.         Ecrire les équations aux électrodes intervenant réellement dans cette pile.
b.         En déduire la polarité de la pile en justifiant la réponse.
c.         Pour l’équation proposée ci-dessus, déterminer le quotient de réaction Qr,i à l’état initial.
d.         Quelle relation peut-on écrire entre Qr,i et K pour ce système ? Justifier la réponse.
2.         On s’intéresse maintenant au fonctionnement microscopique de cette pile.
a.         Dans quelle partie de la pile trouve-t-on les électrons impliqués dans le transfert entre le zinc et le cuivre ?
b.         A quel endroit de la pile la transformation mettant en jeu les ions Cu2+(aq) a-t-elle lieu ?
c.         Les ions Cu2+(aq) sont responsables de la coloration bleue d’une des solutions de la pile. Que devient cette coloration au fur et à mesure du fonctionnement de la pile ?
d.         Comment l’égalité entre la quantité de charge positive et la quantité de charge négative en solution est-elle préservée ?
e.         Sur le schéma suivant, indiquer, en le justifiant sur la copie quand c’est nécessaire, le déplacement des ions dans l’ensemble de la pile Daniell.

3.         L’avancement de la réaction décrivant le fonctionnement de la pile est de 0,015 mol.
a.         Quelle charge électrique a été mise en circulation par la pile entre l’état initial et cet état ?
b.         Si l’intensité du courant débité par la pile est constante et égale à 12 mA, combien de temps la pile a-t-elle fonctionné ? Exprimer le résultat en heure.
4.        
a. Définir dans le cas de cette pile le temps de demi réaction.
b.         Le calculer en admettant que les électrodes ne constituent pas le réactif limitant et que l’intensité du courant débité est encore constante.


Corrigé: Piles

1.         On a :
a.         Si la masse de zinc diminue, c’est que le zinc solide est consommé : 
                   
Zn(s) =  Zn2+(aq) + 2e et donc : Cu2+(aq) + 2 e =Cu(s).
b.         Puisque l’électrode de zinc produit des électrons, c’est qu’elle est considérée comme étant un pôle négatif. L’électrode de cuivre, qui attirent les électrons, est le pôle positif de la pile.
c.         Qr,i =  [Cu2+]i / [Zn2+]i car les solides sont remplacés par 1. AN : Qr,i = 1,0/0,30 = 3,3.
d.         Puisque la réaction évolue dans le sens inverse de celui écrit, alors Qr doit diminuer. Donc K est plus petit que Qr. (K = [Cu2+]f / [Zn2+]f = 1 si la lame de zinc est assez épaisse) .
2.         Aspect microscopique
a.         Les électrons sont toujours dans les électrodes, et dans ce cas dans l’électrode de zinc.
b.         La réaction de transformation des ions Cu2+(aq) a lieu au contact l’électrode de cuivre.
c.         La quantité d’ions Cu2+(aq) diminue, la solution se décolore donc.
d.         Il faut que le pont ionique apporte des cations et/ou évacue des anions.
e.         Les électrons dans les fils de l’électrode de zinc à celle de cuivre. Dans le pont ionique : les anions vers le compartiment du zinc et les cations vers le compartiment du cuivre.
Dans le compartiment du cuivre, les ions cuivre sont attirés par l’électrode, alors que dans le compartiment du zinc, les ions zinc sont produits par l’électrodes de zinc. Dans ces deux compartiments, les anions sulfate sont présents, restent en quantité identique et participent peu au courant.
3.         Avancement de la réaction : 0,015 mol.
a.         Q = z F x = 2 × 96,5.103 × 0,015 = 2,9.103 C.
b.         Durée de fonctionnement :  Dt = Q / I = 2,9.103 / 0,012 =  2,4.105 s = 67 h.
4.a. Le temps de demi réaction dans le cas de cette pile est le temps au bout duquel la moitié de l’avancement maximal est atteint.
b.         Le réactif limitant est Cu2+(aq). L’avancement maximal est donc xmax = n0Cu2+ = [Cu2+]0.V  
AN xmax = 1,0.0,150 = 0,15 mol ; t1/2 est donc atteint quand l’avancement est 0,15/2 = 0,075 mol, soit t 1/2 = 2x1/2.F/I    AN : t1/2 = 2.0,152.96500/12.10–3 = 1,2.106s = 34.101h.