TP : Transformation spontanée - les piles

Objectifs

  • Montrer qu’une transformation chimique spontanée impliquant un échange d’électrons peut avoir lieu soit en mélangeant les espèces chimiques de deux couples oxydant/réducteur soit en les séparant ; dans ce dernier cas, montrer que la transformation correspondante est utilisable pour récupérer de l’énergie sous forme d’énergie électrique à l’aide d’un dispositif : la pile.
  • Montrer qu’une pile délivre un courant en circuit fermé. Utiliser le critère d’évolution spontanée pour justifier le sens du courant observé ou pour le prévoir.
  • Analyser la constitution d’une pile simple (ion métallique/métal) ; étudier son fonctionnement et ses caractéristiques en circuit ouvert et en circuit fermé.

Prérequis

 

Présentation de la démarche

  • Réaliser une première expérience en mélangeant les espèces chimiques de deux couples oxydant/réducteur pour conclure, sur la base d’une observation aisée quant au sens spontané d’évolution de la transformation chimique. En déduire qu’il y a échange d’électrons entre les deux couples. Écrire l’équation de la réaction associée à la transformation. Connaissant la constante d’équilibre, vérifier que le sens d’évolution, prévu à l’aide du critère d’évolution spontanée, est en accord avec les observations expérimentales.
  • Dans une deuxième expérience, mettre en évidence que le transfert d’électrons est encore possible lorsque les couples oxydant/réducteur sont séparés : étudier le fonctionnement et les caractéristiques d’une pile.
  • Dans une troisième expérience (qui peut être collective), simuler l’évolution du comportement électrique d’une pile vers son état d’équilibre (décharge) en réalisant divers « états d'avancement » de l’évolution du système correspondant à des valeurs croissantes de l’avancement de la réaction mise en jeu. Étudier alors l’évolution de la f.é.m. lors de l’usure de la pile. Montrer ainsi « qu’une pile s’use si l’on s’en sert ! »

Matériel et produits
  • Tubes à essai sur support
    Becher de 25 mL (ou récipient approprié)
    Eprouvette de 10 mL
    Thermomètre
    Lame de zinc
    Poudre de cuivre
    Solution de sulfate de cuivre(II) de concentration molaire 1,0.10-1 mol.L-1
    Solution de sulfate de zinc(II) de concentration molaire 1,0.10-1 mol.L-1
  • Bechers de 10 mL (ou tout récipient permettant de limiter les volumes des solutions utilisées).
    Multimètre
    Pont salin
    Fils électriques et cosses
    Lame de zinc
    Lame de cuivre
    Solution de sulfate de cuivre(II) de concentration molaire 1,0.10-1 mol.L-1
    Solution de sulfate de zinc(II) de concentration molaire 1,0.10-1 mol.L-1
  • Expérience collective :

    Tubes à essai sur support
    Bechers de 20 mL
    2 multimètres
    Burettes graduées (pour préparer rapidement les mélanges)
    Pont salin
    Lame de cuivre
    Fil d’argent
    Solutions de nitrate d’argent(I) de concentrations molaires :
    1,0 mol.L-1 ; 1,0.10-1 mol.L-1 ; 1,0.10-2 mol.L-1 ; 1,0.10-3 mol.L-1
    Solutions de sulfate de cuivre(II) de concentrations molaires : 1,0 mol.L-1 et 0,5 mol.L-1

1. Expérience 1 : Transformation chimique spontanée par transfert direct d’électrons

Couples oxydant/réducteur mis en jeu : Cu2+(aq)/Cu(s) et Zn2+(aq)/Zn(s)

1. Manipulation

Prélever, dans le bécher, 10 mL de la solution de sulfate de cuivre(II) et 10 mL de la solution de sulfate de zinc(II).
Plonger une lame de zinc et ajouter environ 3 g de poudre de cuivre.
Agiter et plonger rapidement un thermomètre. Noter l’évolution de la température.
Filtrer la solution et observer la couleur de la solution.

2. Questions

1. D’après les observations, écrire l’équation de la réaction associée à la transformation chimique du système.
2. La constante d’équilibre , K, associée à cette réaction est égale à 1037. En appliquant le critère d’évolution, montrer que le sens d’évolution prévu est compatible avec les observations expérimentales.

2. Expérience 2 : Séparation des deux couples oxydant/réducteur : transfert spontané des électrons « à distance »

1. Manipulation

Expérience 2a
Construction d’une pile (ou analyse de sa constitution).
Étude de son fonctionnement en circuit fermé ; ce dernier comportant en série la pile, un ampèremètre et une résistance

Expérience 2b
Étude du fonctionnement de la pile en circuit ouvert à l’aide d’un voltmètre.

2. Questions

Relatives à l’expérience 2a :
1. Le sens du courant observé à l’aide de l’ampèremètre satisfait-il au critère d’évolution ?
2. Écrire l’équation des réactions ayant lieu aux électrodes ainsi que l’équation de la réaction associée à la transformation ayant lieu dans la pile.
3. Préciser le rôle du pont salin.
4. Une pile en fonctionnement est-elle un système dans l’état d’équilibre ou hors équilibre ?

Relatives à l’expérience 2b
1. Que peut-on déduire des indications données par le multimètre branché en mode voltmètre ?
2. En utilisant le critère d’évolution, montrer que la polarité des électrodes était prévisible.
3. Schématiser la pile : schéma du montage et écriture symbolique, en précisant les polarités des électrodes

3. Expérience 3 : Simulation du comportement électrique d’une pile

1. Manipulation

Simuler l’usure de la pile au cours de sa décharge :
(-) Cu(s)/ Cu2+(aq)+ (aq), 0,50 mol.L-1 // Ag+(aq), 1,0 mol.L-1 /Ag(s) (+)
Réaliser les piles suivantes, correspondant à différentes valeurs de l’avancement de la réaction mise en jeu dans la pile. On peut décider de travailler par exemple sur des volumes V = 20 mL de solution

Au cours du fonctionnement de la pile, la disparition et la formation de cations sont compensées par des migrations d’ions provenant du pont salin.

Les expériences suivantes sont réalisées :

2. Questions

Remplir le tableau d’avancement proposé ci-dessous, il rassemble les différents états du système chimique au cours de la décharge de la pile :

a) Une pile en fonctionnement est-elle un système à l’équilibre ou hors équilibre ?
b) Pour quelle valeur de x l’équilibre est-il atteint ?
c) Que vaut alors [Ag+] ? [Cu2+] ?
d) Que vaut alors E ?
e) Si la pile débite un courant de 15 µA, calculer la durée qu’elle mettra pour atteindre l’état d’équilibre.