TP EVOLUTION FORCEE D UN SYSTEME CHIMIQUE L ELECTROLYSE

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1 NIVEAU : TERMINALE S OBJECTIFS DU TP : Montrer comment forcer une transformation chimique Retrouver la valeur de la constante de Faraday COMPETENCES MISES EN JEU : Comprendre, adapter, corriger et réécrire un protocole expérimental PRE REQUIS POUVANT DONNER LIEU A UNE EVALUATION DIAGNOSTIQUE Savoir réaliser un circuit électrique en boucle simple Savoir mesurer une tension ou une intensité avec un multimètre Savoir reconnaître l'oxydant et le réducteur de quelques couples : H + (aq)/h 2 (g); M n+ (aq)/m (s) (cation métallique / métal) ; Fe 3+ (aq)/fe 2+ (aq) ; MnO 4 (aq)/ Mn 2+ (aq); I 2 (aq) /I (aq) et S 4 O 6 2 (aq) /S 2 O 3 2 (aq). Savoir écrire l'équation d'une réaction d'oxydoréduction. TEMPS DISPONIBLE : 2H TP EVOLUTION FORCEE D UN SYSTEME CHIMIQUE L ELECTROLYSE DOCUMENTS A DISPOSITION Cours sur l électrolyse Enoncé du TP Fiches de sécurité de l acide sulfurique INRS : PUB/inrs01.nsf/IntranetObject accesparreference/rubrique9a/$file/visu.html ou internationale issue du CDC («Centers for Disease Control and Prevention» : DEROULEMENT DE LA SEANCE ½ groupe de 18 élèves 9 paillasses Salle de Travaux pratiques (laboratoires) Partie 1 (situation initiale et situation 2) : environ 1 heure évaluation formative en groupe de 2, les étudiants peuvent venir au tableau proposer leurs réponses aux questions posées synthèse réalisée par le professeur à partir des réponses des étudiants Partie 2 : 1 heure : en groupe de 2 le professeur intervient dans chaque groupe à leur demande et donne des indications dans la partie droite de leur feuille de recherche au fur et à mesure de leurs avancées il veille au respect des conditions de sécurité Le professeur fixe la tension délivrée de sa paillasse grâce à une ligne reliée à chaque paillasse élève. V. Mas / RNChimie TP électrolyse niveau terminale Page 1

2 ENONCE Situation initiale Le professeur a introduit dans un bécher, un volume de 10 ml d une solution de bromure de potassium (K + (aq), Br (aq) ) de concentration c = 1 mol.l 1 et un volume de 10 ml d une solution de sulfate de cuivre (Cu 2+ (aq), SO 4 2 (aq) ) de concentration c = 1 mol.l 1. Questions : Quelle transformation chimique est envisageable? A partir de vos observations, la réaction est elle possible? Comment savoir dans quel sens va avoir lieu la transformation? Données - Couples ox/réd : Cu 2+ (aq)/cu (s) et Br 2(aq)/ Br (aq) - Les ions bromure et sulfate sont incolores et ne réagissent pas. - La constante d équilibre de cette réaction est égale à K = 8, Situation 2 Cette solution de bromure de cuivre est placée dans un tube en «U». Le professeur fait alors circuler un courant électrique en reliant les deux électrodes en graphite à un générateur de tension continue (1V minimum) après avoir ajouté un peu de solvant organique (cyclohexane) initialement incolore (et non miscible avec la solution de bromure de cuivre) aux deux électrodes. Tube en «U», électrodes non reliées encore au générateur Problème : Au bout d un certain temps, notez les phénomènes observés au niveau des électrodes immergées et. Comment expliqueriez vous ce qu il s est passé? Feuille de recherche Proposez une explication quant à l espèce de couleur brune apparaissant à une électrode. En observant bien l autre électrode, indiquer les réactions qui se produisent Comment expliqueriez vous en termes d énergie que cette transformation non spontanée puisse se produire? Information Le diiode I 2 est une espèce chimique peu soluble dans l'eau, sa solubilité vaut 0,34 g/l à 25 C. Il est plus soluble dans le cyclohexane = 28g/L à 25 C. Synthèse du professeur V. Mas / RNChimie TP électrolyse niveau terminale Page 2

3 s/2004/gupt4s0/public_htm l/scientists-faraday.jpg Michael Faraday, physicien britannique a été l'un des principaux fondateurs de l'électrochimie en tant que discipline scientifique. En 1833, il introduit les termes d'anode, de cathode, d'anion, de cation et d'ions (sans pour autant connaître la notion de courant électrique découvert plus tard par André Marie Ampère). Il a aussi donné son nom au farad, une unité de capacité électrique, ainsi qu'à une charge électrique, la constante de Faraday (noté F) qui est le produit de la charge élémentaire e par le nombre d'avogadro N A Le protocole expérimental et son exploitation proposés ci dessous n ont pas été retouchés (il peut contenir des imprécisions, des indications peu utiles.) et ont pour objectif de retrouver la valeur de la constante de Faraday en réalisant une électrolyse d une solution contenant des ions. Problème Après l avoir testé, comment pourriez vous simplifier, affiner et clarifier ce protocole et les questions de son exploitation afin de trouver une valeur expérimentale la valeur du Faraday? Protocole expérimental original 1 Réaliser le montage comprenant un générateur de tension, un ampèremètre et l'électrolyseur ci contre. 2 L éprouvette, tube à essai et électrolyseur peuvent contenir : - une solution de sulfate de sodium et quelques gouttes de Bleu de Bromothymol (BBT) ou bien une solution d acide sulfurique à 1 mol.l 1 3 On met sous tension l'électrolyseur en déclenchant le Chronomètre afin de faire circuler un courant (minimum I = 0,5 A constant) pendant une certaine durée Δt en minutes. 4 Des transformations chimiques ont lieu aux électrodes. Arrêter l'électrolyse au bout d un certain temps. 5 Mesurer le volume gazeux V dégagé à la cathode. Eprouvette graduée Mesurer et comparer aussi les volumes de gaz dégagés aux électrodes. L un des gaz présent dans un des tubes, ravive la braise d une bûchette et l autre en présence d une flamme, fait entendre un bruit comme un aboiement de chien. 6 Relever la valeur de la température du laboratoire et de la pression atmosphérique. 7 Noter la couleur du BBT au voisinage de chacune des électrodes. 8 Retirer éprouvette et tube en versant le contenu dans la cuve de l'électrolyseur. Mélanger et noter la couleur du BBT.» ma Tube à essais ou éprouvette V. Mas / RNChimie TP électrolyse niveau terminale Page 3

4 Exploitation de l expérience originale : 1 Faites une hypothèse sur la nature des gaz formés 2 Au vu des observations et du sens de circulation des électrons, indiquer les réactions qui se produisent aux électrodes : en utilisant le sens du courant imposé par le générateur, identifier l électrode où se produit la réaction d oxydation et l électrode à laquelle se produit la réaction de réduction. 3 En déduire l équation traduisant la transformation électrochimique observée. 4 Calculer le volume molaire V m à la température T et à la pression P 0 du laboratoire. 5 Etablir l'expression de la quantité d électrons en mol notée n e ayant circulé dans le circuit pendant la durée Δt en fonction de l'intensité I du courant qui a circulé dans le circuit. 6 Etablir le tableau d avancement du système pour la réaction chimique qui a lieu à l'anode. 7 Calculer la valeur du Faraday à partir de : a La valeur absolue de la charge électrique totale Q qui a traversé l'électrolyseur en fonction de la durée de l électrolyse Δt et de l intensité I du courant imposé b L expression de la charge électrique totale qui a traversé l'électrolyseur en fonction de la quantité d'électrons n e 8 Vérifier que le volume de dioxygène mesuré expérimentalement est en accord avec la valeur calculée dans les conditions de l'expérience 9 Vérifier que le rapport des volumes de gaz dégagés est en accord avec le rapport des quantités de matière à l'état final.» Données originales Les couples Ox / Red qui peuvent intervenir sont : S 2 O 8 2 /SO 4 2 ; O 2 / H 2 O ; H 2 O / H 2 ; Na + / Na ; SO 4 2 / SO 2 ; H + /H 2 ; O 2 /H 2 O ; SO 4 2 /SO 2 ; Pt 2+ /Pt, Cl 2 /Cl, Na + /Na. Constante des gaz parfait : R = 8,31 J.K 1.mol 1 Constante d Avogadro : N A = 6, mol 1 Charge élémentaire : e = 1, C Feuille de recherche - Effectuer les expériences et répondre aux questions de l exploitation afin de calculer à l aide des résultats expérimentaux, la valeur de la constante de Faraday dans les conditions de l expérience. - Un certain de nombre de questions pourraient largement être améliorées afin de rendre plus facile le raisonnement permettant de calculer la valeur du Faraday - Notez alors toutes les améliorations pertinentes qui pourraient être apportées dans la forme comme dans le fond suite aux difficultés que vous auriez pu rencontrer pour arriver à calculer la valeur du Faraday. V. Mas / RNChimie TP électrolyse niveau terminale Page 4

5 Compte rendu - Le compte rendu est à rendre à la séance suivante. o Réécrire : ce protocole à partir de sa version proposée et de vos notes prises lors de sa réalisation expérimentale en corrigeant des mots, en indiquant des améliorations possibles, des consignes de sécurité, en supprimant ou rajoutant des parties. Une exploitation de celui ci plus guidée afin d arriver de manière plus évidente au calcul demandé de la constante de Faraday. BILAN - la réécriture d un protocole n est souvent pas une compétence utilisée en TP classique. - La partie 1 est traitée avec le professeur et permet d affuter les capacités d observation des élèves et de réinvestissement des connaissances de seconde et première quant au dibrome (Br 2aq ) et à sa forte solubilité avec un solvant organique, comme le cyclohexane. Le dépôt de cuivre est apparent. Dépôt de cuivre Dibrome dans le cyclohexane - la partie 2 est plus rapide à réaliser et peut être recommencée plusieurs fois par les élèves s ils le désirent. - Le suivi par les étudiants de ce protocole et de son exploitation n a pas été facile, pratiquement la majorité n a pas eu le recul nécessaire pour arriver au calcul du Faraday. Il m a semblé intéressant que l étudiant se réapproprie le protocole et de clarifier les étapes qui permettent d arriver à son calcul. A la lecture des comptes rendus, le bilan a été que plus encourageant tant la créativité de certains élèves s est révélée. V. Mas / RNChimie TP électrolyse niveau terminale Page 5

6 Deux exemples ou extrait de Réécriture du protocole V. Mas / RNChimie TP électrolyse niveau terminale Page 6

7 Exemple de réécriture de l exploitation V. Mas / RNChimie TP électrolyse niveau terminale Page 7

8 - Les difficultés rencontrées étaient liées : o aux mesures du volume gazeux et à la technique du déplacement d eau o aux tests de reconnaissance des gaz formés et aux conditions de sécurité : par exemple sur cette photographie, le tube à essai n est pas correctement orienté o aux solutions utilisées : la solution de sulfate de sodium n était pas disponible, seule existait la solution aqueuse d acide sulfurique les conditions de sécurité n étaient pas indiquées dans le protocole original notamment au niveau du recyclage du dibrome et des dangers et précautions à prendre lors de l utilisation de la solution d acide sulfurique o aux nombres de couples redox proposés dont certains étaient inutiles.la difficulté est qu il n y a aucune indication des potentiels E de ces couples dans les programmes du secondaire. o A l intérêt du BBT o Aux questions posées qui n étaient pas assez «guidées» pour arriver à calculer la valeur de la constante de Faraday à partir des volumes recueillis et de la quantité d électrons qui a parcourue la solution. BIBLIOGRAPHIE Document pédagogique mis à la libre disposition de tous par le groupe Sciences Physiques de l Académie de Toulouse ctstp09.doc Antenne de MURET V. Mas / RNChimie TP électrolyse niveau terminale Page 8