TP - Les piles électrochimiques PDF

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TP : « Les piles électrochimiques » Objectifs :  Réaliser expérimentalement une pile  Modéliser le fonctionnement d’une pile  Mettre en relation la polarité de la pile et les réactions mises en jeu aux électrodes

Introduction : A la fin d’un TP, un élève peu respectueux des consignes de sécurité mélange, par curiosité, les espèces chimiques dont il dispose : il verse dans un bécher 20 mL de solution de sulfate de cuivre (II) à 1,0.10-1 mol.L-1, 20 mL de solution de sulfate de zinc à 1,0.10-1 mol.L-1 et il plonge dans cette solution deux lames métalliques, l’une de cuivre, l’autre de zinc. Après quelques minutes, le contenu du bécher a changé d’aspect et la température du mélange a augmenté. D'où provient l’énergie mise en évidence par l’élévation de température ? Pourrait-on la récupérer pour alimenter un circuit extérieur ? ANA Q1- Faire l’inventaire des espèces chimiques présentes dans le système réactionnel de la situation-problème, à l’état initial. Q2- Formuler quatre hypothèses sur d’éventuelles réactions possibles entre ces espèces chimiques, afin d’expliquer la transformation mise en évidence sur la paillasse du professeur. Q3- Proposer un protocole expérimental permettant d’identifier parmi ces quatre hypothèses, celle qui est associée à la transformation chimique de la situation-problème. Q4- Proposer ensuite un test permettant d’identifier, pour cette transformation chimique, les ions présents en fin de réaction. Dessiner les différents tests. REA Q5- Réaliser les expériences des questions 3 et 4 et noter les observations. ANA-VAL Q6- Quels sont les ions présents en fin de réaction ? Q7- Ecrire l’équation de la réaction chimique associée à cette transformation en respectant les lois de conservation de la matière et de la charge électrique. Q8- Entre l’état initial et l’état final, l’élément cuivre a-t-il perdu ou gagné des électrons ? On parler de réduction. Q9- Entre l’état initial et l’état final, l’élément zinc a-t-il perdu ou gagné des électrons ? On parle d’oxydation. Q10- La réaction qui se produit est appelée « réaction d’oxydoréduction ». Lors de cette réaction quel type de particule a été directement échangé entre les deux éléments mis en présence ? Q11- Dans cette réaction, les ions cuivre Cu2+(aq)sont l’oxydant et le zinc Zn est le réducteur. Proposer une définition pour un oxydant et un réducteur. II La pile Daniell On peut envisager le transfert de ces mêmes particules mais de façon indirecte : par l’intermédiaire d’un conducteur, c'est-à-dire en ne plaçant pas la lame de zinc et celle de cuivre dans le même bécher. APP

Q12- A l’aide des documents donnés, expliquer l’intérêt de cette séparation physique. Citer une avancée technologique qu’elle a permise. REA Q13- Dans un bécher contenant environ 25 mL de solution aqueuse de sulfate de cuivre (II), introduire une lame de cuivre décapée. Dans un autre bécher contenant environ 25 mL de solution aqueuse de sulfate de zinc introduire une lame de zinc décapée. A l’aide des pinces crocodiles, brancher une résistance et un ampèremètre entre ces deux électrodes. Attendre 2 minutes et noter vos observations. Un pont salin est un conducteur ionique en forme de U imbibé d’ions. Placé entre les deux béchers, il permet aux ions de migrer. Le pont salin assure donc la continuité du flux de charges électriques à l’intérieur de la pile. Q14- Rapprocher les deux béchers l’un de l’autre, introduire un pont salin et noter vos observations. Q15- Les cations vont migrer vers le pôle + ou le pôle – de la pile ? Q16- Compléter le schéma du document 4 pour qu’il corresponde à votre montage expérimental. Mesurer la force électromotrice E de la pile de Daniell (= tension mesurée directement entre les deux lames de la pile de Daniell) : E = ……………… Q17- Avant l’introduction du pont salin, la pile débite-t-elle du courant ? Justifier en donnant une valeur. ……………………… Q18- Après l’introduction du pont salin, la pile débite-t-elle du courant ? Justifier en donnant une valeur. ……………………….. ANA Q19- Parmi les particules suivantes, entourer les porteurs de charge électrique mobiles : molécules ; eau ; ions ; atomes ; électrons ; atomes métalliques. Quels sont ceux qui circulent dans les conducteurs métalliques ? Quels sont ceux qui circulent dans le pont salin ? Q20- Observer le sens du courant débité par la pile dans la branche contenant la résistance R. En déduire la borne positive et la borne négative de la pile Daniell. Q21- Sur le schéma du document 4, reporter le sens conventionnel du courant dans la branche contenant la résistance. Préciser également la polarité de chaque électrode sur le schéma. Q22- A la surface de la lame qui forme le pôle négatif, y-a-t-il une perte ou un gain d’électrons ? Même question pour la lame formant le pôle positif. Q23- Ecrire l’équation de la demi-réaction qui a lieu au niveau de chaque lame. Q24- En déduire l’équation bilan de la réaction qui se produit dans cette pile. Q25- Indiquer, sur le schéma du document 4, le sens de circulation des porteurs de charge qui traversent la résistance et l’ampèremètre. Indiquer également le sens de circulation des ions dans le pont salin. Q26- D'où provient l’énergie mise en évidence par l’élévation de température ? Q27- Comment récupère-t-on cette énergie ? Q14-L’ampèremètre affiche une valeur. Q15- Les cations chargés positivement vont migrer vers le pôle négatif de la pile.

Q16- E = 0,8V Q17- Pas de courant donc pas de circulation d’électrons. I = 0 mA Q18- On peut mesurer une intensité : I = 1,2 mA, ce qui est très faible. Q19- Les ions sont mobiles dans le point salin. Les électrons sont mobiles dans les métaux. Q20- Le cuivre c’est le pôle positif de la pile. Q21-

-

cation

Pont salin

anion

+

Sens conventionnel du courant en rouge : du + vers le – Q22- On observe une perte d’électrons au pôle – et un gain d’électrons au pôle +. Q23- Lame de zinc : Zn  Zn2+ +2e Lame de cuivre : Cu2+ + 2e  Cu Q24- Zn + Cu2+  Cu + Zn2+ Q25Sens de circulation des électrons du – vers le +. Q26- L’élévation de la température provient de l’effet Joule dans la résistance. C’est les « frottements » des électrons quand ils se déplacent dans les conducteurs. Q27- On récupère l’énergie sous forme d’énergie thermique....