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T.P. : TRANSFORMATION SPONTANEE : LES PILES
I. Objectifs de la séance
 Montrer qu’une transformation chimique spontanée qui implique un transfert d’électrons peut avoir lieu en séparant les espèces
chimiques de deux couples oxydant/réducteur, le dispositif constitue alors une pile.
 Montrer qu’une pile délivre un courant en circuit fermé.
 Utiliser un multimètre pour mesurer la f.é.m. E d’une pile, l’intensité du courant qu’elle débite, puis tracer la caractéristique de
cette pile afin de déterminer sa résistance interne r.
 Montrer que la f.é.m. d’une pile dépend de la nature des couples oxydant/réducteur, et de la concentration molaire des espèces
chimiques qui la constituent.
 Utiliser le critère d’évolution spontanée pour justifier le sens du courant observé.
II. Protocole expérimental
1) Réalisation et étude d’une pile Daniell
a) Réalisation d’une transformation chimique spontanée par transfert indirect d’électrons : la pile Daniell
● Relier deux bechers par un pont salin contenant une solution de chlorure de potassium.
● Dans le premier becher, introduire une solution de sulfate de cuivre(II) de concentration molaire apportée 0,10 molL–1 jusqu’à ce
que l’extrémité en verre du pont soit bien immergée. Y plonger une lame de cuivre. La première demi-pile est prête.
● Dans le deuxième becher, introduire une solution de sulfate de zinc(II) de concentration molaire apportée 0,10 molL–1 jusqu’à ce
que l’autre extrémité en verre du pont soit bien immergée. Y plonger une lame de zinc. La deuxième demi-pile, et la pile sont prêtes.
● Relier les électrodes métalliques par le biais d’un conducteur ohmique de résistance R = 20  associé en série avec un ampèremètre.
Mesurer et noter l’intensité I du courant qui circule dans le circuit fermé.
b) Force électromotrice E et polarité de la pile Daniell
● Démonter le circuit électrique précédent puis mesurer la tension positive aux bornes de la pile lorsqu’elle ne
débite aucun courant (circuit ouvert). Noter la valeur précise de sa f.é.m. E1.
c) Évolution de la tension UPN aux bornes de la pile Daniell en fonction de l’intensité I du courant débité
● Réaliser le montage ci-contre.
● Mesurer simultanément la tension UPN aux bornes de la pile ainsi que l’intensité I du courant débité pour cinq
valeurs de résistance comprises entre 10 k et 1,0 k. Rassembler les résultats dans un tableau.
2) Paramètre influant sur la f.é.m. d’une pile
● Réaliser la pile - Fe(s)/Fe2+(aq)//Cu2+(aq)/Cu(s) + où les solutions de sulfate de cuivre(II) et de sulfate de fer(II)
sont toutes deux à la concentration molaire apportée de 0,10 molL–1. Mesurer et noter la valeur précise de la
f.é.m. E2 de cette pile.
● Réaliser la pile - Zn(s)/Zn2+(aq)//Fe2+(aq)/Fe(s) + où les solutions de sulfate de zinc(II) et de sulfate de fer(II) sont toutes deux à la
concentration molaire apportée de 0,10 molL–1. Mesurer et noter la valeur précise de la f.é.m. E3 de cette pile.
● Réaliser la pile - Zn(s)/Zn2+(aq)//Cu2+(aq)/Cu(s) + où la solution de sulfate de cuivre(II) a pour concentration molaire apportée
1,0 molL-1 et celle sulfate de zinc(II) a pour concentration molaire 1,010–4 molL–1. Mesurer et noter la valeur précise de la f.é.m. E4
de cette pile.
III. Exploitation des résultats
1) Étude du fonctionnement et détermination des caractéristiques de la pile Daniell
a) Transformation chimique spontanée par transfert indirect d’électrons
1. Faire un schéma du dispositif tel qu’il a été construit au II.1.a (on précisera bien la position des bornes de l’ampèremètre).
2. Déduire du signe de l’intensité I mesurée à l’ampèremètre le sens de circulation du courant.
3. Écrire l’équation des réactions ayant lieu à chacune des électrodes métalliques, ainsi que l’équation de la réaction globale associée
à la transformation ayant lieu dans la pile.
4. Préciser le sens de déplacement de tous les porteurs de charge mis en jeu dans cette pile.
b) Force électromotrice E1 et polarité de la pile Daniell
1. D’après l’indication donnée par le voltmètre, déterminer laquelle des électrodes est au potentiel le plus élevé. En déduire la
polarité des électrodes.
2. En utilisant la réponse à la question III.1.a.2, montrer que la polarité des électrodes était prévisible.
3. Donner l’écriture symbolique de la pile Daniell.
c) Détermination de la résistance interne r de la pile.
1. Tracer le graphe UPN = f(I).
2. En déduire la valeur de la résistance interne r de la pile Daniell constituée, ainsi que l’intensité de court-circuit Icc obtenue lorsque
UPN = 0 V.
2) Paramètre influant sur la f.é.m. d’une pile
1. La nature du couple oxydant/réducteur constituant une demi-pile a-t-il une influence sur la f.é.m. d’une pile ? Justifier.
2. Proposer un classement croissant des potentiels d’électrode VM de chacune des électrodes métalliques utilisées.
3. La concentration molaire des espèces chimiques en solution a-t-elle une influence sur la f.é.m. d’une pile ? Justifier.
3) Approche théorique de la pile Daniell
1. Écrire l’équation de la réaction susceptible de se produire entre les ions cuivre(II) et le zinc métallique. La constante d’équilibre
associée à cette équation de réaction vaut K = 1,71037.
2. Prévoir dans quel sens doit évoluer spontanément le système décrit au II.1.a. Prévoir alors le sens de circulation des électrons
dans le circuit extérieur. Est-il en accord avec celui observé expérimentalement ?
R
A
P
N
COM
V
COM