Pile, électrolyse

Classe de TS spécialité PC – Thème: Matériaux
Pile, électrolyse
1–Pile : classification des couples oxydoréducteurs
Vous allez travailler avec les couples d’oxydoréduction suivants : Cu 2+ /Cu
Zn 2+ /Zn
Ag + /Ag
H+ /H2
Toutes les autres espèces seront spectatrices.
Chaque couple d’oxydoréduction peut être associé à une demi-pile :
— Cas où le réducteur du couple est un métal :
Cu 2+ /Cu
Ag + /Ag
Zn 2+ /Zn
Cu rouge
Zn gris
Ag gris clair
Cu 2+ solution bleue
Zn 2+ solution incolore
Ag + solution incolore
— Cas où le réducteur du couple n’est pas un métal :
2+
MnO−
4 /Mn
H+ /H2
Pt avec H2 adsorbé
Pt
H+ solution incolore
Mn 2+ et MnO−
4 solution violette
Dans les livres de chimie, on peut lire que pour chaque couple d’oxydoréduction on associe une demi-pile caractérisée par une
valeur appelée potentiel d’oxydoréduction. Cette valeur dépend un peu de la température, de la concentration des espèces et
parfois de la pression. Les valeurs à 25°C, pour des concentrations de 1 mol/L et à la pression atmosphérique de 101300 Pa sont :
ECu 2+ /Cu = 0,34 V
EZn 2+ /Zn = −0,76 V
E Ag + /Ag = 0,88 V
EH+ /H2 = 0 V
1.1–Fabrication de piles et mesure des différences de potentiel
1.1.1–Principe
Une pile est constituée par une association de 2 demi-piles selon le schéma général suivant :
demi-pile 1
demi-pile 2
V
métal 1
métal 2
pont salin
solution 1
solution 2
Entre les 2 métaux, on place un voltmètre (calibre 20 V, position DC)
pour lire la différence de potentiel (ddp ou tension) ∆E entre les 2
demi-piles.
Entre les 2 solutions, on place un pont salin : papier filtre imbibé d’une
solution ionique de nitrate de potassium, les 2 ions constituant cette
solution étant spectateurs vis-à-vis des espèces présentes dans les 2
solutions 1 et 2.
1.1.2–Expérience
Réaliser 3 demi-piles dans 3 béchers différents :
— bécher 1 : solution de nitrate d’argent Ag NO3 dans laquelle on place une lame d’argent Ag .
— bécher 2 : solution de sulfate de cuivre CuSO4 dans laquelle on place une lame de cuivre Cu.
— bécher 3 : solution de sulfate de zinc ZnSO4 dans laquelle on place une lame de zinc Zn.
Un bécher 4 doit contenir une solution de nitrate de potassium KNO3 pour réaliser des ponts salins avec des bandes de papier
filtre imbibées.
Réaliser les piles suivantes et remplir le tableau :
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pile
métal ⊕
métal ª
ddp ∆E (en V) expérimentale
ddp ∆E (en V) théorique
argent et cuivre
argent et zinc
zinc et cuivre
1.1.3–Interprétation
On va s’intéresser plus particulièrement à la pile Zn-Cu (appelée pile D ANIELL) :
aspect électrique :
Faire un schéma (en grand) de cette pile et relier les pôles par une résistance, indiquer tous les ions sur le schéma, dans les
solutions et dans le pont salin. Indiquer les pôles ⊕ et ª. Ajouter le sens des électrons dans la résistance. Ajouter le sens
des quatre ions qui se déplacent dans cette pile qui est un circuit fermé. Indiquer enfin le sens conventionnel du courant
noté I.
aspect chimique :
Écrire la demi-équation d’oxydoréduction qui a lieu au pôle ⊕. Est-ce une oxydation ou une réduction ? . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Écrire la demi-équation d’oxydoréduction qui a lieu au pôle ª. Est-ce une oxydation ou une réduction ? . . . . . . . . . . . . . . . . .
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On appelle cathode le lieu de la réduction et anode le lieu de l’oxydation. Faire correspondre le signe des pôles d’une pile et le
nom des électrodes sur le schéma.
1.2–Prévision du sens d’une réaction d’oxydoréduction
1.2.1–Questions
Dans le piles fabriquées au cours de ce TP il y a chaque fois une concurrence entre 2 métaux, l’un étant plus réducteur que
l’autre. Répondre aux questions suivantes :
1. Dans la pile D ANIELL quel est le métal le plus réducteur, le cuivre ou le zinc ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2. En analysant les résultats des 3 piles fabriquées, écrire les 3 métaux en jeu par ordre de caractère réducteur décroissant.
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3. En analysant les résultats des 3 piles fabriquées, écrire les 3 ions métalliques en jeu par ordre de caractère oxydant
décroissant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4. En analysant les valeurs des potentiels des couples d’oxydoréduction, le plus réducteur a le potentiel le plus grand ou le
plus petit ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5. En analysant les valeurs des potentiels des couples d’oxydoréduction, le plus oxydant a le potentiel le plus grand ou le
plus petit ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2–Électrolyse
2.1–Introduction
L’électrolyse consiste à faire passer un courant continu dans une solution ionique. Des réactions chimiques ont lieu sur chaque
électrode qu’on peut traduire par une demi-équation d’oxydoréduction.
On rappelle que la charge de l’électron est q e − = −1,6×10−19 C (coulomb) et qu’une mole d’espèces correspond à NA = 6,02×1023
espèces identiques. NA s’appelle nombre d’AVOGADRO.
En valeur absolue, la charge d’une mole d’électrons est donc Q = 1,6 × 10−19 × 6,02 × 1023 ≈ 96500 C
On appelle faraday cette charge d’une mole d’électrons : 1F = 96500 C
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2.2–Électrolyse d’une solution de sulfate de cuivre avec électrodes de cuivre
⊕ ª
Le générateur doit être réglable pour pouvoir maintenir l’intensité constante au cours de
l’électrolyse.
Les électrodes de cuivre doivent être propres et sèches. les peser au centigramme près.
Réaliser le montage.
Laisser passer un courant constant de l’ordre de 0,5 A pendant environ 10 min dans la
solution. Pendant ce temps-là observer : un dépôt de cuivre doit se déposer sur l’une des
électrodes tandis que l’autre perd son cuivre.
calibre A
20 A
Cu Cu
solution CuSO4
Noter les différents paramètres :
t (en s)
I (en A)
m 1 (en g)
m 2 (en g)
m 10 (en g)
m 20 (en g)
1. Est-ce que le dépôt de cuivre apparaît sur l’électrode ⊕ ou ª ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2. Écrire la demi équation d’oxydoréduction correspondante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3. S’agit-il d’une oxydation ou d’une réduction ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4. L’électrode est-elle une cathode ou une anode ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5. Sur quelle électrode semble-t-il y avoir perte de cuivre ; sur l’électrode ⊕ ou ª ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6. Écrire la demi équation d’oxydoréduction correspondante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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7. S’agit-il d’une oxydation ou d’une réduction ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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8. L’électrode est-elle une cathode ou une anode ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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9. Démonter les 2 électrodes, les passer à l’eau distillée avec précaution, les sécher au sèche cheveux et les peser. On appelle
∆m A la variation de masse de l’anode et ∆m C la variation de masse de la cathode. Laquelle de ces 2 valeurs est la plus
fiable ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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10. On calcule la quantité d’électricité ou charge totale (en coulomb) qui a parcouru le circuit pendant l’expérience par la
formule
Q = I·t
Calculer cette quantité d’électricité et en déduire le nombre de faraday. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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11. D’après l’équation quelle est la quantité de matière cuivre qui a quitté l’une des électrodes ou qui est arrivée sur l’autre
électrode ? Quelle est la masse de cuivre correspondante ? (M = 63,5 g/mol) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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12. Est-ce que le résultat est concordant avec le résultat expérimental ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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