Critère d évolution spontanée d une transformation chimique : Les piles

Transcription

1 Critère d évolution spontanée d une transformation chimique : Les piles TP Chimie TS n 9 Nom : Prénom : Classe : Objectifs : Schématiser une pile et connaître ses constituants Savoir interpréter le fonctionnement d une pile Savoir écrire et exploiter les équations des réactions aux électrodes Savoir utiliser le critère d évolution spontanée pour déterminer le sens de la transformation I- Transformation chimique spontanée par transfert direct d électrons a- Approche expérimentale Dans un bêcher, placer environ 10 ml de la solution de sulfate de cuivre (II) et 10 ml de la solution de sulfate de zinc(ii) toutes deux à la concentration C = 1, mol.l 1 ; Plonger une lame de zinc et une lame de cuivre dans le bêcher ; Observations après quelques minutes : b- Interprétation c- Equation de la réaction associée à la transformation d- Evolution spontanée du système D après le critère d évolution spontanée, montrer que le sens d évolution est bien celui observé. Constante d équilibre associée à la transformation : K = II- Transfert spontané des électrons entre espèces chimiques séparées : la pile a- Approche expérimentale Plonger une lame de zinc dans un bécher contenant du sulfate de zinc (II) à 0,1 mol.l -1, puis une lame de cuivre dans un bécher contenant du sulfate de cuivre (II) à 0,1 mol.l -1. Relier les 2 solutions par une bande de papier filtre imbibée d une solution molaire de nitrate de potassium. Connecter les 2 lames par une portion de circuit comprenant un ampèremètre (et éventuellement un conducteur ohmique de résistance 100 Ω). Observations : TP n 09 Critére d évolution spontanée Les piles page 1/5

2 b- Compléter le schéma (indiquer le sens du courant ainsi que le sens de transfert des électrons dans le circuit extérieur) c- Ecrire les équations des réactions aux électrodes à la borne positive : à la borne négative : d- Quel est le rôle du pont salin constitué par le papier filtre? e- Vérifier que les observations confirment le critère d évolution noté dans l expérience du I- f- Conclusion III- Constitution et fonctionnement d une pile a- Définition b- Description Exemple de la pile Daniell (1836) Lame de zinc pont salin Lame de cuivre Pont salin : solution conductrice, chimiquement inerte (ex : K + + Cl ) ou paroi poreuse qui assure la conduction entre les demi-piles et maintient l électroneutralité des solutions. Demi-pile : formée par les 2 constituants d un couple oxydant/réducteur M n+ /M, M étant le métal formant l électrode. (Zn 2 2 SO4 ) (Cu 2 2 SO4 ) c- Détermination expérimentale des polarités de la pile Réaliser la pile Daniell avec un pont salin, brancher l ampèremètre entre les électrodes. Observations : Déterminer les polarités de la pile : TP n 09 Critére d évolution spontanée Les piles page 2/5

3 d- Equations des réactions aux électrodes Pôle positif : Pôle négatif : Equation globale : Généralisation : - L électrode qui est le siège d une est appelée - L électrode qui est le siège d une est appelée e- Schéma conventionnel d une pile Pile Daniell : Pile constituée des 2 couples M 1 /M 1 n1+ et M 2 /M 2 n2+ (M 1 pôle + et M 2 pôle -) : f- Force électromotrice d une pile (fem E) Définition : fem de la pile Daniell : E = Influence de la nature des couples oxydant/réducteur sur la force électromotrice : Réaliser les piles selon le tableau ci-dessous et compléter le tableau Schéma de la pile Electrode + Electrode - Fem E (V) Equation de fonctionnement Pb/Pb 2+ // Cu 2+ /Cu Cu/Cu 2+ // Ag + /Ag Conclusion : Influence de la concentration des espèces chimiques intervenant dans la pile : Réaliser une pile zinc-cuivre selon le tableau ci-dessous et compléter le tableau [Zn 2+ ] mol.l - 1 1, , , [Cu 2+ ] mol.l - 1 1, , , E (V) Conclusion : TP n 09 Critére d évolution spontanée Les piles page 3/5

4 g- Evolution du système chimique pile Une pile en fonctionnement est un système chimique hors équilibre : Qr < K Tant que la pile fonctionne, elle débite un courant électrique dont le sens est lié au sens d évolution spontané du système chimique : le système chimique pile évolue vers son état d équilibre. Lorsque Qr = K, le système chimique est à l équilibre et la pile ne débite plus : sa fem E est alors nulle Tant que le système est hors d équilibre il apparaît dans le circuit électrique extérieur un courant électrique signe que la transformation chimique se produit. h- Aspect énergétique La pile est un générateur électrochimique : elle permet de convertir une partie de l énergie libérée par la réaction chimique en énergie électrique, puis de transférer cette énergie électrique au milieu extérieur. Lorsque toute l énergie stockée sous forme chimique dans la pile est transféré au milieu extérieur la processus s arrête (Qr = K) la pile est usée, on dit aussi qu elle est «déchargée». Les piles déchargent leur énergie sans possibilité de retour à l état initial : La réaction chimique qui a lieu est donc spontanée et irréversible. IV- Quantité d électricité débitée a- Définition : le Faraday Le faraday F est la quantité de charge d une mole de charge élémentaire. 1 F = Le faraday est une quantité de charge adaptée à l électrochimie b- Quantité d électricité débitée à un instant t On appelle quantité d électricité Q débitée entre l instant t = 0 et l instant t la valeur absolue de la charge des électrons échangée entre ces deux instants. Si l intensité I du courant débité par la pile est constante on peut écrire la relation : Q = I x t Si une quantité Q d électricité est débitée, alors il y a : n ē = Q F est transféré de l anode à la cathode. Soit encore : n ē = I.t F On regarde pour une électrode l équation de la transformation : a Ox 1 + n 1 ē = b Red 1 Si c est Ox1 qui réagit alors n Ox transformé = a I.t n 1 F Et si c est Red 1 qui réagit alors n Red transformé = b I.t n 1 F TP n 09 Critére d évolution spontanée Les piles page 4/5

5 c- Quantité d électricité maximale débitée La quantité d électricité débitée entre l instant initial et l état d équilibre final du système constituant la pile est la quantité d électricité maximale Q max pouvant être débitée par la pile. Pour déterminer Q max il faut déterminer quel est le facteur limitant de la pile, cela passe donc par l établissement et l exploitation d un tableau d évolution du système chimique (tableau d avancement). La durée de vie d une pile est fonction de Q max Q max est donc une caractéristique de la pile qui intéresse le consommateur La durée de vie de la pile dépend de I t vie = Q max I V- Un exemple de pile usuelle: pile Leclanché Description : Le pôle négatif est constitué par le zinc métallique Zn qui est en contact avec du chlorure de zinc ZnCl 2 en solution aqueuse gélifiée Zn Cl -. Cet ensemble met en jeu le couple Zn 2+ / Zn. L'électrolyte est une solution acide et gélifiée de chlorure d'ammonium NH Cl -. Le pôle positif est un bâton de graphite (carbone). C'est une électrode inerte (ne participe pas à la réaction). Cette électrode est au contact du dioxyde de manganèse qui est l'oxydant du couple MnO 2 / MnO(OH). Des grains de graphite assurent une meilleure conduction. Les demi équations redox aux électrodes et le bilan électrochimique : Zn = Zn e - MnO 2 + H + + e - = MnO(OH) x 2 Zn + 2MnO 2 + 2H + = Zn MnO(OH) Cette pile a une force électromotrice voisine de 1,5V. Le réactif en défaut est le dioxyde de manganèse. Remarques : La pile précédente est dite "sèche" car elle ne contient pas de solution aqueuse mais un gel qui évite à la pile de couler. L'électrolyte du pont salin (paroi poreuse) qui assure le passage du courant est un sel (produit de l'action d'un acide sur une base). Pour cette raison la pile est dite "pile saline". Dans un autre type de piles dites "piles alcalines", l'électrolyte est basique (alcalin), par exemple une solution gélifiée d'hydroxyde de potassium (K + + HO - ). TP n 09 Critére d évolution spontanée Les piles page 5/5