Réalisation et étude d’une pile
I. Réalisation d’une pile cuivre-zinc : 1. Réaction entre les ions cuivre II et le métal zinc :
Lorsqu’on plonge une lame de métal zinc dans une solution bleue de sulfate de cuivre II, la lame de zinc se recouvre d’une couche de métal cuivre rouge
Parallèlement, la solution initialement bleue se décolore ; des ions Zn2+ apparaissent dans la solution.
On donne les couples rédox : Cu2+/Cu et Zn2+/Zn
a. Quelle est l’espèce qui a été oxydée au cours de l’expérience ? Ecrire la demi-équation traduisant cette oxydation.
b. Quelle est l’espèce qui a été réduite au cours de l’expérience ? Ecrire la demi-équation traduisant cette réduction.
c. Ecrire le bilan global de l’équation d’oxydoréduction qui a eu lieu.
2. En 1836, au moment où le développement du télégraphe faisait apparaître un besoin urgent de sources de courant, le chimiste britannique John Daniell eut l’idée d’utiliser l’équation d’oxydoréduction ci- dessus pour obtenir un courant constant. Son idée était d’empêcher le transfert direct des électrons du réducteur à l’oxydant, mais de forcer ces électrons à passer à travers un circuit électrique pour récupérer ces électrons.
On donne dans le tableau qui suit un schéma du dispositif expérimental qui permet ce transfert indirect d’électrons à travers un ampèremètre et un conducteur ohmique.
a. La réaction chimique globale qui a lieu lorsque la pile fonctionne est celle étudiée dans la question 1.
Ecrire dans le tableau la demi-équation concernant chaque côté de la pile. Préciser s’il s’agit de l’oxydation ou de la réduction.
b. Préciser de quel côté de la pile des électrons sont « produits » et fournis au circuit extérieur (ampèremètre et conducteur ohmique) ; de quel côté de la pile les électrons sont consommés et apportés par le circuit extérieur.
En déduire le sens de circulation des électrons à travers le conducteur ohmique et l’indiquer sur le schéma par une flèche bleue.
c. Déduire de la question précédente le sens conventionnel du courant à travers le conducteur ohmique et l’indiquer par une flèche rouge.
d. On rappelle que le sens conventionnel du courant est orienté du pôle + vers le pôle – à l’extérieur du générateur.
Quelle électrode constitue le pôle + de la pile ; on appelle ce pôle la « cathode ».
Quelle électrode constitue le pôle – de la pile ; on appelle ce pôle l’ « anode ».
Indiquer par un + et un – la polarité de la pile.
e. Le pont salin permet d’assurer la neutralité électrique des solutions contenues dans le bécher.
Indiquer le sens de circulation des ions K+ et Cl- sur le schéma au niveau du pont salin.
Remarque : sans ce pont salin qui permet de fermer le circuit électrique, aucun transfert d’électrons ne s’établirait.
Réponse question a.
et b.
Réponse question d.
R A
Pile
(générateur)
Electrode constituée d’une lame de métal zinc (Zn) Electrode constituée d’une
lame de métal cuivre (Cu)
Solution contenant des ions zinc Zn2+
Solution contenant des ions cuivre
Cu2+
Pont salin contenant des ions K+ et Cl-
3. Schématisation de la pile :
La pile réalisée précédemment peut être schématisée de la façon suivante : - Zn(s)/Zn2+(aq)//Cu2+(aq)/Cu(s) +
II. fém de différentes piles :
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 ?
2. 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)
3. 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 -) (à indiquer sur chaque schéma)
En déduire les demi équations qui ont lieu à chaque électrode en précisant s’il s’agit d’une oxydation ou d’une réduction (dans le tableau)
Donner la valeur de E la fem de la pile (valeur absolue de la tension mesurée) V UAB
A B
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 : V
UAg/Zn
Zn Ag
V UCu/Ag
Ag Cu
V UZn/Fe
Fe Zn
V UCu/Fe
Cu Fe
V UCu/Zn
Cu Zn
