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Piles
Enoncé type :
On considère une pile zinc-cuivre dont les concentrations en électrolytes sont égales à 0,10 mol/L. Une solution de chlorure de potassium est utilisée pour assurer le passage du courant. Cette pile est branchée en série avec une résistance durant 5 h et l'intensité du courant qui traverse le circuit est de 10 mA.
1) Donner les couples d'oxydoréduction en jeu.
2) On place un voltmètre aux bornes de cette pile et on lit la valeur 1,02 V. Sachant que la borne COM du voltmètre est branchée sur la plaque de zinc, déterminer la polarité de cette pile. 3) Dessiner :
a) le schéma électrique de la pile (physique) ;
b) le schéma classique de la pile (chimie) avec la résistance en série ;
c) l'écriture conventionnelle de la pile.
4) Ecrire les demi-équations d'oxydoréduction à chaque borne ainsi que l'équation chimique de la transformtion qui se produit dans la pile lorsqu'elle est en fonctionnement.
5) Rajouter sur le schéma 3.b, le voltmètre avec sa borne COM, le sens de circulation des électrons, celui du courant et celui des ions. 6) Montrer que la réponse à la question 4 précédente était prévisible sachant que la constante d'équilibre K associée à cette transformation vaut 2.1037.
7) A l'aide d'un tableau d'avancement, déterminer la masse de produit solide formé au bout des 5 h.
Données : F = 9,65.104 C/mol ; M(Zn) = 65,4 g/mol ; M(Cu) = 63,5 g/mol ;
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| CONSIGNES |
CORRECTION |
| ? Tous les métaux composent un couple ox/red sous la forme ion métallique/métal : |
1) Les couples sont Cu2+/Cu et Zn2+/Zn. |
| ? Comparer le résultat expérimental avec le branchement du voltmètre : |
2) La valeur de la tension lue étant positive, cela signifie que la borne COM est branchée sur la borne négative de la pile. Conclusion : la plaque de zinc constitue la borne négative et la plaque de cuivre constitue la borne positive. |
| ? Les 3 schémas peuvent se distinguer dans la formulation de la question : |
3)
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? Appliquer la conservation de la matière et la conservation de la charge électrique :
- On équilibre tout ce qui n'est ni O ni H
- On équilibre les O avec H20 en milieu acide (avec OH- en milieu basique)
- On équilibre les H avec H+ en milieu acide (avec H20 en milieu basique)
- On équilibre les charges avec e-
? Puisque la borne négative libère les électrons, c'est là que se produit l'oxydation (perte d'électrons).
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4) La demi-équation à la borne négative est : Zn = Zn2+ + 2e-
La demi-équation à la borne positive est : Cu2+ + 2e- = Cu
L'équation chimique est donc : Cu2+ + Zn = Zn2+ + Cu |
| ? Pour le sens du courant et le sens du courant, utiliser les conventions de cours. Pour le sens des ions dans le pont ionique, utiliser les demi-équations pour prévoir s'il faut ajouter des anions ou des cations pour compenser la création ou la perte d'ions dans chaque becher : |
5)
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? Calculer Qr,i puis appliquer le critère d'évolution spontanée :
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6) Qr,i = [Zn2+]i/[Cu2+]i = 0,10/0,10 = 1,0 < K donc puisque Qr,i tend vers K, la transformation chimique va évoluer spontanément dans le sens direct. Ce qui implique que Zn et Cu2+ sont consommés. |
? Dresser un tableau d'avancement avec des lettres, comportant l'état initial et l'état final (si la question porte sur la fin de la transformation) ou intermédiaire (si la question porte sur une durée bien déterminée). S'il s'agit d'un calcul nécessitant les électrons, utiliser une demi-équation.
Puis utiliser les 2 relations faisant intervenir la quantité d'électricité Q :
Attention aux unités (durée en s, intensité I en A...) et aux chiffres significatifs. |
7) Tableau d'avancement :
| Etat |
Avancement |
Cu2+ |
2e- |
Cu |
| EI |
x = 0 |
n1 |
0 |
n4 |
| Einter |
x |
n1 - x |
2x |
n4 + x |
Au bout de 5 h, il s'est formé x mol de cuivre solide.
De plus la quantité d'électricité Q = n(e-). F = I.?t avec n(e-)= 2x d'après le tableau d'avancement.
D'où 2xF = I.?t et x = I.?t/2F = 9.10-4 mol = n(Cu)
Enfin m(Cu) = n.M = 6.10-2 g.
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Autre exercice
Autre exercice :
On considère une pile fer-argent dont les concentrations en électrolytes sont égales à 0,01 mol/L. Une solution de chlorure de potassium est utilisée pour assurer le passage du courant. Cette pile est branchée en série avec une résistance de 12 ? et la tension UPN aux bornes de cette pile vaut 1,12 V. Un ampèremètre placé dans ce circuit mesure une intensité positive. Au bout de 3 h, la variation de masse à la borne négative de cette pile est de 20 mg.
1) Donner les couples d'oxydoréduction en jeu.
2) Sachant que la borne COM de l'ampèremètre est branchée sur la plaque de fer, déterminer la polarité de cette pile.
3) Dessiner le schéma électrique de la pile associée à une résistance en série.
4) Ecrire les demi-équations d'oxydoréduction à chaque borne ainsi que l'équation chimique de la transformtion qui se produit dans la pile lorsqu'elle est en fonctionnement.
5) Rajouter sur le schéma précédent, l'ampèremètre avec sa borne COM, le sens de circulation des électrons et celui du courant.
6) Le sens d'évolution spontanée de cette transformation étant direct, que peut-on dire de sa constante d'équilibre K ?
7) A l'aide d'un tableau d'avancement, déterminer l'intensité du courant qui a traversé cette pile durant 3 h. En déduire la résistance interne de cette pile.
Données : F = 9,65.104 C/mol ; M(Ag) = 107,9 g/mol ; M(Fe) = 55,8 g/mol ; la f.e.m. de la pile vaut E = 1,24 V.
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| CONSIGNES |
REDACTION |
| ? Tous les métaux composent un couple ox/red sous la forme ion métallique/métal : |
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| ? Comparer le résultat expérimental avec le branchement de l'ampèremètre : |
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| ? Le schéma demandé est dans la formulation de la question : |
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? Appliquer la conservation de la matière et la conservation de la charge électrique en faisant attention à équilibrer le nombre d'électrons entre les deux demi-équations :
? Puisque la borne négative libère les électrons, c'est là que se produit l'oxydation (perte d'électrons).
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| ? Pour le sens du courant et le sens du courant, utiliser les conventions de cours : |
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? Calculer Qr,i puis appliquer le critère d'évolution spontanée :
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? Dresser un tableau d'avancement avec des lettres, comportant l'état initial et l'état final (si la question porte sur la fin de la transformation) ou intermédiaire (si la question porte sur une durée bien déterminée). S'il s'agit d'un calcul nécessitant les électrons, utiliser une demi-équation.
Puis utiliser les 2 relations faisant intervenir la quantité d'électricité Q :
Attention aux unités (durée en s, intensité I en A...) et aux chiffres significatifs. |
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