I. Etude préliminaire.

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FICHE T.P. 8 : REALISATION ET ETUDE DE PILES.
Objectifs.
Montrer que les piles mettent en jeu des transformations spontanées permettant de récupérer
de l’énergie.
I. Etude préliminaire.
Faire les montages proposés et répondre aux questions dans l’ordre.
1. Approche expérimentale.
- Prélever, dans le becher, 10 mL de la solution de sulfate de cuivre(II) et 10 mL de la solution
de sulfate de zinc(II).
- Plonger une lame de zinc et une lame de cuivre.
- Agiter et plonger rapidement un thermomètre. Noter l’évolution de la température.
- Eventuellement ajouter de la poudre de zinc. Agiter. Filtrer la solution et observer sa couleur.
2. Confrontation de l'expérience aux prévisions théoriques.
- Ecrire les demi-équations électroniques qui concernent les couples oxydant-réducteur
Cu2+(aq) / Cu (s) d’une part et Zn2+(aq) / Zn (s) d’autre part.
- D’après les observations, écrire l’équation de la réaction associée à la transformation chimique
du système.
- La constante d’équilibre, K, associée à cette réaction est égale à 4.1036. Calculer le quotient de
réaction initial Qr, i. Le comparer à K. En appliquant le critère d’évolution, montrer
que le sens d’évolution prévu est compatible avec les observations expérimentales.
- Qu'ont échangé le cuivre et le zinc dans cette expérience ?
II. Réalisation d’une pile avec ces mêmes couples.
1. Réalisation d'une pile.
Le transfert mis en évidence au §I est-il encore possible en séparant les deux couples oxydant /
réducteur ? Réaliser un dispositif appelé pile qui permette ce transfert (ou étudier le
fonctionnement de la pile Daniell présentée par le professeur).
2. Étude du fonctionnement de cette pile en circuit fermé.
- Proposer un montage permettant de faire circuler les électrons (échangés dans la pile) à
l'extérieur de celle-ci à travers une résistance, et permettant de mesurer l’intensité du courant I.
- Faire un schéma du circuit en notant le sens conventionnel du courant et en couleur le sens réel
de déplacement des électrons.
- Montrer que le sens de circulation des électrons satisfait au critère d’évolution spontanée.
- Ecrire les équations des réactions aux électrodes.
- Comment varient [ Zn2+ ], [ Cu2+ ], nZn, nCu ? Comment est assurée l'électroneutralité des
solutions ? Indiquer le mouvement des porteurs de charge dans l’ensemble du dispositif, en
particulier dans le pont salin.
- La pile en fonctionnement est-elle un système à l'équilibre ou hors équilibre ?

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3. Étude du fonctionnement de cette pile en circuit ouvert.
- Montrer à l’aide d’un voltmètre qu’il existe une tension aux bornes de la pile (différence de
potentiel), appelée force électromotrice ( f.é.m E). Quel métal a le potentiel le plus élevé ?
- En appliquant le critère d’évolution, montrer que l’on pouvait prévoir le signe de cette tension
4. Ecriture symbolique de la pile indiquée par le professeur.
III. Annexe : Piles usées.
1- Décharge d’une pile suivie par EXAO.
Commenter le graphique suivant donnant les variations de l’intensité en fonction du temps lors
de la décharge d’une pile plate de 4,5V dans un circuit.
2- Simulation de l’usure d’une pile au cours de sa décharge. (cette simulation peut être collective).
Réaliser quatre piles cuivre-argent simulant la pile à 4 dates différentes en cours de décharge.
(-) Cu(s)/Cu2+(aq) + SO42-(aq ), concentration C //Ag+(aq) + NO3-(aq), concentration C’/Ag(s)
pile de 4,5 V
0,00E+00
5,00E-02
1,00E-01
1,50E-01
2,00E-01
2,50E-01
3,00E-01
3,50E-01
4,00E-01
4,50E-01
01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
t ( s )
I (A)
Pont salin
Fil d’argent
Fil de cuivre
Solution de nitrate d’argent de concentration C’ Solution de sulfate de cuivre de concentration C

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Les concentrations C et C’ et les volumes de solution correspondants V et V’ sont consignés
dans le tableau ci-dessous :
Pile
N°
Avancement
( mmol )
Volume de solution
de nitrate d’argent
( mL )
Concentration C’ de
nitrate d’argent dans la
solution ( mol.L- 1 )
Volume de solution de sulfate de
cuivre
( mL )
Concentration C de
sulfate de cuivre
dans la solution
( mol.L-1 )
U = E
(V)
1
x = 0,0
10
1,0
10
0,5
2
x = 4,5
10
1,0.10-1
9,5 ( Rajouter 0,5 mL d’eau)
1,0
3
x = 4,95
10
1,0.10-2
10
1,0
4
x = 4,995
10
1,0.10-3
10
1,0
Mesurer la force électromotrice E de chaque pile.
Comment varie-t-elle ?
Etablir un tableau d'évolution des quantités de matière des espèces chimiques dans lequel on fera
apparaître l'équation de la réaction, l'état initial (pile 1), un état intermédiaire quelconque et les 3
états finaux proposés (piles 2,3,4).
Comment évolue le système lors de la décharge ? Conclure.
IV. PROLONGEMENTS POSSIBLES (en classe entière, si possible avec expériences de cours)
Construire d’autres piles en utilisant d’autres couples oxydant/réducteur et montrer qualitativement
qu’aux bornes d’une pile existe une tension électrique qui dépend :
- de la nature des couples oxydant/réducteur qui la constituent,
- de la concentration molaire des espèces chimiques qui la constituent.

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FICHE T.P. 8 : REALISATION ET ETUDE DE PILES.
( FICHE PROF )
I. But.
- Partant de l’étude de deux couples Ox / Red, montrer que l’on peut récupérer de l’énergie.
- Elaborer une pile utilisant ces deux couples ( pile Daniell ).
- Déterminer le sens du courant et le comparer aux prévisions.
( Etudier l’usure de la pile )
II. Grille de suivi des compétences mises en jeu en TP ( B.O ).
- Compétences générales
Proposer une expérience répondant à un objectif précis
Décrire une expérience
Analyser les résultats expérimentaux et les confronter aux prévisions d’un
modèle
Faire le schéma d’un montage expérimental
Associer un modèle à un phénomène
Elaborer une démarche scientifique
Savoir exploiter une courbe
- Compétences exigibles du T.P
Schématiser une pile.
Utiliser les critères d’évolution spontanée pour déterminer le sens de
déplacement des porteurs de charges dans une pile.
Interpréter le fonctionnement d’une pile
Ecrire les réactions aux électrodes
III. Matériel
Par groupe :
- 2 tubes à essai.
- 2 becher de 150 mL.
- 1 plaque de cuivre, 1 plaque de zinc.
- poudre de zinc.
- Solutions de CuSO4 et ZnSO4 à 0,1 mol.L-1.
- 1 creuset en terre réfractaire ( Diamètre 36 mm et hauteur 60 mm ). PIERRON MB04716-109.
Coût ( 3,45 euros ) ou pont KNO3 dans un gel.

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- 1 multimètre.
- 2 pinces crocodiles.
- 3 fils.
- 1 plaque de zinc courbée pour entourer le vase poreux si ce dispositif est utilisé.
Au bureau :
- Différentes piles ( Leclanché 4,5 V, .... ).
- Papier filtre découpé ( 4 x 25 cm ) et imbibé de solution de KNO3.
ANNEXE : PILES USEES.
Les activités proposées en annexe sont destinées à être un prolongement du TP qui a été conçu pour
fonctionner sur une séquence de 2 h.
Le matériel nécessaire pour ce travail ANNEXE est coûteux et les expériences seront réalisées au
bureau du professeur.
Au bureau :
- Tubes à essai sur support
- Plusieurs becher de 20 mL
- 2 multimètres
- Burettes graduées pour préparer rapidement les mélanges
- Pont salin
- Lame de cuivre
- Fil d’argent ( 2 m en 0,5 mm coûte environ 46 euros, un fil de 6 cm coûte environ 1,5 euro )
- Solutions de nitrate d’argent ( I ) de concentrations molaires 1,0 mol.L-1, 1,0.10-1 mol.L-1 ; 1,0.10-2
mol.L-1 ; 1,0.10-3 mol.L-1
- Solutions de sulfate de cuivre de concentrations molaires 1,0 mol.L-1.
IV. QUELQUES ELEMENTS DE REPONSE.
 Expérience du I : Transformation chimique spontanée par transfert direct d’électrons
Couples oxydant/réducteur mis en jeu : Cu2+(aq)/Cu(s) et Zn2+(aq)/Zn(s)
On observe la décoloration de la solution initialement bleue et un léger dépôt sur la lame de zinc
ainsi qu’un léger échauffement de la solution.
Ces observations se traduisent par l’écriture de l’équation de la réaction associée à cette
transformation : Cu2+(aq) + Zn(s) = Zn2+(aq) + Cu(s)
Le quotient de réaction dans l’état initial vaut :
Qr, i =
i
2i
2
]Cu[]Zn[
= 1
La quotient de réaction dans l’état d’équilibre s’écrit :
Qr, éq. = K =
2+ .
2+ .
[Zn ]
[Cu ]éq
éq
et K = 4.1036
Puisque Qr, i < K, l’application du critère d’évolution permet de conclure que le système évolue dans
le sens direct qui est bien celui qui a été observé.