(doc.C3) TP Piles
publicité
TP - Transformation spontanée - les piles (doc.C3) Objectifs Montrer qu’une transformation chimique spontanée impliquant un échange d’électrons peut avoir lieu soit en mélangeant les espèces chimiques de deux couples oxydant/réducteur soit en les séparant ; dans ce dernier cas, montrer que la transformation correspondante est utilisable pour récupérer de l’énergie sous forme d’énergie électrique à l’aide d’un dispositif : la pile. Montrer qu’une pile délivre un courant en circuit fermé. Utiliser le critère d’évolution spontanée pour justifier le sens du courant observé ou pour le prévoir. Analyser la constitution d’une pile simple (ion métallique/métal) ; étudier son fonctionnement et ses caractéristiques en circuit ouvert et en circuit fermé. Présentation de la démarche Réaliser une première expérience en mélangeant les espèces chimiques de deux couples oxydant/réducteur pour conclure, sur la base d’une observation aisée quant au sens spontané d’évolution de la transformation chimique. En déduire qu’il y a échange d’électrons entre les deux couples. Écrire l’équation de la réaction associée à la transformation. Connaissant la constante d’équilibre, vérifier que le sens d’évolution, prévu à l’aide du critère d’évolution spontanée, est en accord avec les observations expérimentales. Dans une deuxième expérience, mettre en évidence que le transfert d’électrons est encore possible lorsque les couples oxydant/réducteur sont séparés : étudier le fonctionnement et les caractéristiques d’une pile présentée par l’enseignant ou construite par les élèves. a) Étude du fonctionnement d’une pile en circuit fermé Montrer à l’aide d’un ampèremètre que des électrons sont échangés par l’intermédiaire du circuit extérieur et que le sens de circulation des électrons satisfait au critère d’évolution spontanée. Préciser le sens de circulation de ce courant. Écrire les équations des réactions aux électrodes. Indiquer le mouvement des porteurs de charge dans l’ensemble du dispositif, en particulier dans le pont salin. Conclure que la pile en fonctionnement est un système hors équilibre. b) Étude du fonctionnement d’une 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 et notée f.é.m. En appliquant le critère d’évolution, montrer que l’on pouvait prévoir le signe de cette tension (ou inversement, connaissant la polarité des électrodes prévoir le sens d’évolution). c) Faire le schéma de la pile étudiée en indiquant la polarité des électrodes. Dans une troisième expérience (qui peut être collective), simuler l’évolution du comportement électrique d’une pile vers son état d’équilibre (décharge) en réalisant divers « états d'avancement » de l’évolution du système correspondant à des valeurs croissantes de l’avancement de la réaction mise en jeu. Étudier alors l’évolution de la f.é.m. lors de l’usure de la pile. Montrer ainsi « qu’une pile s’use si l’on s’en sert ! » 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 il 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. Protocoles des trois expériences Expérience 1 : Transformation chimique spontanée par transfert direct d’électrons Couples oxydant/réducteur mis en jeu : Cu2+(aq)/Cu(s) et Zn2+(aq)/Zn(s) Matériel et produits Tubes à essai sur support Becher de 25 mL (ou récipient approprié) Eprouvette de 10 mL Thermomètre Lame de zinc Poudre de cuivre Solution de sulfate de cuivre(II) de concentration molaire 1,0.10-1 mol.L-1 Solution de sulfate de zinc(II) de concentration molaire 1,0.10-1 mol.L-1 Expérience Prélever, dans le bécher, 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 ajouter environ 3 g de poudre de cuivre. Agiter et plonger rapidement un thermomètre. Noter l’évolution de la température. Filtrer la solution et observer la couleur de la solution. Questions possibles D’après les observations, écrire l’équation de la réaction associée à la transformation chimique du système. La constante d’équilibre1, K, associée à cette réaction est égale à 1037. En appliquant le critère d’évolution, montrer que le sens d’évolution prévu est compatible avec les observations expérimentales. Éléments de réponse 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 : [Zn 2 ] i Qr,i = =1 [Cu 2 ] i La quotient de réaction dans l’état d’équilibre s’écrit : [Zn2+ ]éq . Qr,éq. = ; or Qr,éq = K et K = 1037 [Cu2+ ]éq . 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. Expérience 2 : Séparation des deux couples oxydant/réducteur : transfert spontané des électrons « à distance » Matériel et produits Bechers de 10 mL (ou tout récipient permettant de limiter les volumes des solutions utilisées). Multimètre Pont salin2 Fils électriques et cosses Lame de zinc Lame de cuivre Solution de sulfate de cuivre(II) de concentration molaire 1,0.10-1 mol.L-1 Solution de sulfate de zinc(II) de concentration molaire 1,0.10-1 mol.L-1 Expériences Expérience 2a Construction d’une pile (ou analyse de sa constitution). Étude de son fonctionnement en circuit fermé ; ce dernier comportant en série la pile, un ampèremètre et une résistance3 Expérience 2b Étude du fonctionnement de la pile en circuit ouvert à l’aide d’un voltmètre. Questions envisageables Relatives à l’expérience 2a : - Le sens du courant observé à l’aide de l’ampèremètre satisfait-il au critère d’évolution ? - Écrire l’équation des réactions ayant lieu aux électrodes ainsi que l’équation de la réaction associée à la transformation ayant lieu dans la pile. - Préciser le rôle du pont salin. - Une pile en fonctionnement est-elle un système dans l’état d’équilibre ou hors équilibre ? On peut aussi faire rechercher la constante d’équilibre dans une table construite à cet effet. Le pont salin a été réalisé avec un tube coudé (de dimension appropriée) rempli d’une solution saturée de nitrate de ammonium gélifiée dans l’agar-agar (voir mode de préparation en fin de document). Il peut être remplacé par une large bande de papier filtre imbibée de solution de nitrate de ammonium saturée, de dimensions : 8 cm de long, 4 cm de large, pliée en quatre dans le sens de la largeur. 3 Compte-tenu de la forte résistance interne de cette pile, on pourrait placer directement l’ampèremètre aux bornes de la pile (mesure du courant de court-circuit) mais, pour des raisons pédagogiques, il est préférable de lui associer une résistance, par exemple 100 . 1 2 Relatives à l’expérience 2b - Que peut-on déduire des indications données par le multimètre branché en mode voltmètre ? - En utilisant le critère d’évolution, montrer que la polarité des électrodes était prévisible. - Schématiser la pile : schéma du montage et écriture symbolique, en précisant les polarités des électrodes. Éléments de réponse - Lorsque le multimètre est placé en mode ampèremètre, on observe le passage d’un courant électrique, ce qui permet de dire que des porteurs de charges circulent dans le circuit. Dans le circuit extérieur, le sens de circulation du courant du cuivre au zinc permet de dire que des électrons circulent du zinc vers le cuivre ; transfert d’électrons à distance Ces observations vérifient le critère d’évolution (voir expérience 1 car les conditions expérimentales sont identiques). - Les équations des réactions aux électrodes sont : Cu2+(aq) + 2 e- = Cu(s) Zn(s) = Zn2+(aq) + 2 eL’équation de la réaction associée à la transformation ayant lieu dans la pile est : Cu2+(aq) + Zn(s) = Zn2+(aq) + Cu(s) - Le pont salin maintient l’électroneutralité des solutions d’électrolytes en permettant les échanges ioniques entre le pont et les solutions dans lesquelles il plonge et la continuité du circuit électrique qui doit être fermé. La pile est un système hors équilibre car, tant qu’elle peut délivrer un courant, des électrons peuvent être échangés et le système peut évoluer car il n’a pas encore atteint son état d’équilibre. Lorsque le multimètre est placé en mode voltmètre, on observe l'existence d'une tension aux bornes de la pile, - appelée force électromotrice, et la polarité des électrodes (cuivre, pôle ⊕ et zinc, pôle ⊖) prévue par le critère d'évolution est déterminée. - Schématisation de la pile : ⊖ Zn(s)/ Zn2+(aq)+SO 24 (aq), 1,0. 10-1 mol.L-1 // Cu2+(aq)+SO 24 (aq), 1,0. 10-1 mol.L-1 /Cu(s) ⊕ Expérience 3 : Simulation du comportement électrique d’une pile La transformation étant très lente, diverses piles sont construites pour simuler différents états du système chimique au cours de son évolution. Un multimètre permet de mesurer la tension à vide aux bornes de la pile. La simulation faite avec la pile cuivre-zinc ne conduit pas à des résultats satisfaisants il est donc proposé de travailler avec la pile cuivre-argent. Pour des raisons de coût, une expérience collective peut être envisagée. Matériel et produits Tubes à essai sur support Bechers de 20 mL 2 multimètres Burettes graduées (pour préparer rapidement les mélanges) Pont salin Lame de cuivre Fil d’argent (Un fil de 2 m en 0,5 mm de diamètre coûte environ 46 €, un fil de 6 cm coûte environ 1,5 €) 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(II) de concentrations molaires : 1,0 mol.L-1 et 0,5 mol.L-1 Expérience Simuler l’usure de la pile au cours de sa décharge : ⊖ Cu(s)/ Cu2+(aq)+ SO 24 (aq), 0,50 mol.L-1 // Ag+(aq)+ NO3 (aq), 1,0 mol.L-1 /Ag(s) ⊕ Réaliser les piles suivantes, correspondant à différentes valeurs de l’avancement de la réaction mise en jeu dans la pile. On peut décider de travailler par exemple sur des volumes V = 10 mL de solution. Au cours du fonctionnement de la pile, la disparition et la formation de cations sont compensées par des migrations d’ions provenant du pont salin. Les expériences suivantes sont réalisées : Remplir le tableau d’avancement proposé ci-dessous, il rassemble les différents états du système chimique au cours de la décharge de la pile : Pile n° 1 état initial Equation de la réaction 2 Ag+(aq) + Cu(s) = 2 Ag(s) + Quantité de matière dans l’état initial excès excès excès excès excès excès excès excès excès excès (mmol) Quantité de matière au cours de la àt transformation : avancement x (mmol) Quantité de matière à 2 l’avancement x = 9 mmol Quantité de matière à 3 l’avancement x = 9,9 mmol Quantité de matière à 4 l’avancement x = 9,99 mmol Cu2+(aq) E (V) Quantité de matière à état l’avancement final excès excès x = ….. mmol a) Une pile en fonctionnement est-elle un système à l’équilibre ou hors équilibre ? b) Pour quelle valeur de x l’équilibre est-il atteint ? c) Que vaut alors [Ag+] ? [Cu2+] ? d) Que vaut alors E ? e) Si la pile débite un courant de 15 µA, calculer la durée qu’elle mettra pour atteindre l’état d’équilibre. Réponse Pour un volume V = 10 mL de solution, le tableau descriptif proposé ci-dessous rassemble les différents états du système chimique au cours de la décharge de la pile : Pile n° 1 2 34 44 Équation de la réaction Quantité de matière dans l’état initial (mmol) Quantité de matière au cours de la transformation : avancement x (mmol) Quantité de matière à l’avancement x = 4,5 mmol Quantité de matière à l’avancement x = 4,95 mmol Quantité de matière à l’avancement x = 4,995 mmol 2Ag+(aq) + Cu(s) = 2Ag(s) + Cu2+(aq) U (V) 0,45 10 excès excès 5 10 - 2.x excès excès 5+x 1,0 excès excès 9,5 0,40 0,10 excès excès 9,95 0,36 0,010 excès excès 9,995 0,28 Remarque - lorsque la pile est déchargée, l’état d’équilibre chimique est atteint, la concentration molaire en ion argent(I), [Ag+]éq, est pratiquement égale à zéro. [Cu2 ]éq. (5.10-3 + xéq. ).V En effet Qr,éq. K 2,15.1015 , [Ag ]2éq. (10-2 - 2.xéq. )2 ce qui donne : [Ag+]éq. = 2,15.10-8 mol.L-1 0 mol.L-1 Conclusion Lorsque la pile débite, le système évolue vers son état d’équilibre. La tension à vide diminue pour s’annuler dans l’état d’équilibre. Dans cet état, on dit que la pile est usée : « La pile s’use si l’on s’en sert. » On peut alors aborder avec les élèves la question de la récupération des piles usagées et la réflexion sur la mention figurant parfois sur une pile « rechargeable », afin d’amorcer la réflexion sur l’électrolyse. Toutes les piles ne sont pas rechargeables, car lors de leur fonctionnement en récepteur, les réactions aux électrodes ne sont pas toujours les réactions inverses de celles observées lorsque la pile fonctionne en générateur. Il est possible, pour certains dispositifs appelées « piles rechargeables », de les recharger : c’est l’électrolyse (voir Activité doc.C4). Un tel dispositif, dans lequel la transformation peut être forcée, moyennant un apport d’énergie, prend le nom d’accumulateur. Prolongements possibles en classe entière avec expériences de cours Objectif : montrer l’influence de la nature des couples oxydant/réducteur et/ou de la concentration molaire sur la tension mesurée aux bornes de la pile. Influence de la nature des couples oxydant/réducteur à l’aide des piles ci-dessous : Pile n° 1 2 Description Constante d’équilibre associée à l’équation de réaction Prévision du sens d’évolution 4 Fe(s) / sulfate de fer(II) 1,0.10-1 mol.L-1// sulfate de zinc(II) 1,0.10-1 mol.L-1/ Zn(s) Cu(s) / sulfate de cuivre(II) 1,0.10-1 mol.L1// sulfate de fer(II) 1,0.10-1 mol.L-1/ Fe(s) Fe2+(aq) + Zn(s) = Fe(s) + Zn2+(aq) K = 5.1010 Cu2+(aq) + Fe(s) = Cu(s)+ Fe2+(aq) K = 1026 10 mL de solution de sulfate de cuivre(II) ont été prélevés pour réaliser cette pile. Prévision de la polarité des électrodes Branchement du voltmètre Valeur affichée par le voltmètre Borne V Borne COM Borne V Borne COM Réaliser ces piles et mesurer la valeur de la tension à leurs bornes. Conclusion La force électromotrice d’une pile dépend de la nature des couples oxydant/réducteur qui la composent. Influence de la concentration molaire des espèces chimiques intervenant dans la pile sur la tension électrique mesurée aux bornes de la pile. Pile Description n° Équation de réaction et f.é.m. constante d’équilibre (V) 3 Cu(s) / sulfate de cuivre(II) 1,0.10-1 mol.L-1// sulfate de fer(II) 1,0.10-1 mol.L-1/ Fe(s) Voir pile n°2 4 Cu(s) / sulfate de cuivre(II) 1,0.10-3 mol.L-1// sulfate de fer(II) 1,0.10-1 mol.L-1/ Fe(s) Voir pile n°2 Exploitation Comparaison avec la valeur de la f.é.m de la pile n°2 Comparaison avec la valeur de la f.é.m de la pile n°2 Conclusion Le potentiel d’électrode Mn+(aq)/M(s) diminue lorsque la concentration en ions métalliques M n+ diminue. Mode de préparation d’un pont salin Dissoudre (dans un récipient approprié à la taille des ponts salins à préparer) 6 g d’agar-agar dans 100 mL d’une solution saturée de nitrate de ammonium. Chauffer légèrement et plonger les tubes en verre coudés de façon à ce qu’ils se remplissent. Laisser épaissir la solution. Retirer les tubes ; les laisser refroidir et les laver. Conservation Plonger les extrémités du pont dans un récipient contenant une solution saturée de nitrate de ammonium. Construction d’une pile ergonomique et économique La simulation du comportement électrique d’une pile peut être réalisée sur de faibles volumes de solution dans chaque compartiment. Nous avons utilisé un cube de résine de 6 cm d’arête, percé de deux trous de 1,5 cm de diamètre et de 4 à 5 cm de profondeur. Des bornes électriques, permettant de maintenir, par vissage, des fils de métal constituant les électrodes, sont fixées sur le dessus du cube. Dans les trous sont placées les solutions dont le volume est de l’ordre de 6 mL. Le pont salin à l’agar-agar est construit de manière que l’écartement entre les branches permet de l’introduire dans les deux solutions. A défaut de cube de résine, on peut utiliser un cube de bois de 8 cm d’arête, verni, percé de deux trous dans lesquels on introduit des tubes à hémolyse.
