TP 5 CONDUCTIMÉTRIE : ÉTUDE D’ UNE CELLULE CONDUCTIMÉTRIQUE Objectifs : Sav oi rquel apr és enced’ i onses tnéces s ai r epouras s ur erl ecar act èr econduct eurd’ unes ol ut i on. Connaître les relations entre Intensité, tension, conductance et résistance. Connaître les grandeurs qui ont une influence sur la mesure de la conductance et dans quel sens : Température, Géométrie de la cellule, Concentration molaire en soluté de la solution . I. Déplacement des ions dans une solution électrolytique. - Al l umerl ’ ordinateur ; Utilisateur : 1S5(+num poste) ; pas de mot de passe ; session : EXAO - Ouvrir le dossier premièreS5$ s ur‘ l abphy’ ( T:) - Double-cliquer sur le fichier word intitulé « video_migration_ions » puis CTRL-clic sur le lien quis ’ affiche : La v i deos ’ exécut e,bi enobs er v er … À quoi est du le passage du courant électrique dans une solution ionique ? (Préciser le sens de déplacement des porteurs de charges) le courant électrique est le résultat des mouvements en sens contraires des ions positifs (cations) v er sl ’ él ect r oder el i éeàl abor nenégat i v edugénér at euretdesi onsnégat i fs ( ani ons )v er sl ’ él ect r oder el i éeàl abor nepos i t i v e du générateur Application : l ’ él ect rophorèsepermetdecet t efaçondeséparerl esaci desami nés. II. Résistance et Conduct anced’ unes ol ut i oni oni queG. + Cellule conductimétrique I Conductance G de la portion de solution aqueuse entre les deux plaques La portion de solution ionique, délimitée par deux plaques métalliques parallèles, vérifie la l oid’ Ohm : la tension U appliquée entre les deux plaques est proportionnelle à l ’ i nt ens i t éIducour ant qui traverse la solution : U= R x I R est la résistance de la portion de solution entre les plaques Unités : U en Volt (V) ; I en ampère (A) ; R ; R en Ohm (Ω) On peut écrire l al oid’ Ohm s ousl afor me: I = en posant G = 1 R (I = U R soit I = G x U 1 1 U = G x U donc G = ) R R G est la conductance de la portion de solution ;l ’ uni t édeconduct anceestl esiemens (S). Pourunet ensi onU const ant e,commentévol uel ’ i nt ensi t équandla conductance augmente? L’ i nt ens i t éIes tpr opor t i onnel l eàl aconduct anceG doncel l eaugment equandGaugment e Conclusion : plus la conductance de la solution est élevée et plus la solution est conductrice III. Influence de la SURFACE IMMERGÉE 1) Protocole Le montage utilisé est schématisé ci-dessous : Le cellule est soumise à une tension alternative afi nd’ éviter les phénomènesd’ él ect r ol ys e. Les multimètres doivent être configurés en mode alternatif AC (Alternatif Current) avec l ’ unenampèr emèt r e( bor nesCOM et mA ; calibre 200mA) et l ’ aut r eenv ol t mèt r e(bornes COM et V ; calibre de départ 20V) 200 mA Générateur basse fréquence ( GBF ) SANS LE BRANCHER DANS LE CIRCUIT, prérégler le GBF sur une tension sinusoïdale, - de fréquence 500Hz (appuyer sur ~ et freq et tourner le disque central pour afficher 0.500 kHz sur le GBF) - de valeur efficace 3,0V (appuyer sur Ampl et tourner le disque central pour afficher 3.0 V sur le voltmètre.) A V Solution aqueuse de chlorure de potassium K+aq + Cl-aq Cellule conductimétrique Support élévateur urBoy - Mesurer 80 mL de solution de chlorure de potassium de concentration C = 5,0.10 -2 l ’ épr ouv et t egr aduéeet verser la solution dans le bécher de 100 mL. mol.L-1 dans - Placer les électrodes de cuivre juste au dessus de la solution (surface immergée nulle) : Dans ce cas la conductance doit être nulle, car aucun porteur de charge ne circule entre les deux plaques. - Réaliser le montage et faire vérifier avant de brancher le GBF !!! - Lever légèrement le support afin que les électrodes soient i mmer géesd’ unes ur facea(qui correspond à une surface métallique ), puis 2a et 4a. - Agiter la solution en remuant avec précaution le bécher puis mesurer la tension efficace U ainsi que l’ intensité efficace I (attendre que les indications des multimètres soient quasi constantes) et compléter le tableau ci-dessous : * Si on exprime U en Volts et I en mA ( milliAmpères ), le calcul G = I/U donnera une valeur de la conductance en mS ( milliSiemens ) * Surface immergée 0 I (mA) a 2a 4a U (V) 0 6,34 9,74 21,2 G(mS) =I/U 3 2,63 2,48 2,35 0,00 2,41 3,93 9,02 2) Exploitation des mesures Co ncl urequantàl ’ i nfl uencedel asurfacedespl aquessurl aconduct anced’ uneport i ondesol ut i on. La conductance augmente quand la surface immergée des électrodes augmente Davantage de mesures auraient permis de constater que G est proportionnelle à la surface S immergée. Quelle relation pouvez-vous écrire entre G et S ? Précisez les unités utilisées . G = k x S ; k= G S est la constante de proportionnalité unités S.I. : G en S , S en m² , k en S.m-2 IV. Influence de la distance entre les plaques, 1) Protocole - Choisir une immersion maximale (4a) qui ne sera pas modifiée au cours des mesures - Commencer avec une distance ℓ= 5e (e :épai s s eurd’ uner ondel l e) , . Mesurer U et I comme précédemment (avec les mêmes précautions). - Refaire le même travail pour 4e, 3e, 2e et e. - Compléter le tableau ci-dessous : ℓ( unité e) I(mA) U(V) ℓ-1(e-1) G(mS) 5 14,9 15,1 15,6 16,7 19,1 4 3 2 1 2,27 2,26 2,24 2,18 2,07 0,20 0,25 0,33 0,50 1,00 6,56 6,68 6,96 7,66 9,23 2) Exploitation des mesures Comment varie la conductance G de la portion de solution en fonction de ℓ? G augmente/diminue quand la distance entre les électrodes diminue/augmente Davantage de mesure auraient permis de constater que G est inversement proportionnelle à la distance ℓentre les électrodes. Établir la relation entre G et ℓ. G = V. INFLUENCE k' ; k'= G x ; unité S.I. dek’: S.m DE LA CONCENTRATION DE LA SOLUTION 1) Protocole - Rincer et essuyer les électrodes. - Mesurer la conductance de la solution de chlorure de sodium numérotée et de concentration C (lire la concentration sur le flacon). Reporter la valeur obtenue dans le tableau prof. - Compléter le tableau ci-dessous - Éteindre le GBF et les multimètres TABLE C(mol.L-1)x10-2 I (mA) U (V) G (mS) 1 0,50 1 ,0 ; 1,2 2 0,80 1,4 ; 1,7 3 1,0 1,5 ; 2,1 4 2,0 2,9 ; 3,8 5 4,0 5,6 ; 6 6,0 8,0 ; 11 7 8,0 11,3 ; 14 8 10 15,6 ; 18 2) Exploitation des mesures -2 -1 Tracer le graphe G = f(C)a vecl ’ échel l e1cm pour1 , 0. 1 0 mol.L surl ’ axedesabsci sses. Quelle relation existe entre la conductance G et la concentration de la solution ? G = k’ ’ x C ; k’ ’= unité S.I. dek’ ’: VI. CONCLUSION G C ; G est proportionnelle à C S = S.L.mol-1 1 mol.L Àl ’ ai dedesconcl usi onsduIIIetIV,compl ét ezl aphrases ui v ant e: Laconduct anceG d’ unecel l ul econduct i mét r i quees t pr opor t i onnelle à la surface (commune) immergée des électrodes et inversement proportionnelle à la distance entre les électrodes En déduire l ’ expres si onl i t t éral edel aconductance G d’ uneport i ondesol ut i on enfonct i onde la surface S immergée des électrodes et de la distance ℓent rel esél ect rodes ( dans cette expression, introduire un coefficient de proportionnalité noté (sigma minuscule) et appelé conductivité de la solution aqueuse ) . S G = Unités : G en siemens (S) ; = G S ; S en m2 ; en m m S unité S.I. de : S 2 = = S.m-1 (ou .m-1) m m Exprimer cette relation à partir de la constante de cellule k S exprimée en mètre(m). G = k x ; unité S.I. de k : m m2 = m Remarque sur les unités : USI : k en m ; conductance G en S; conductivité en S.m-1 Usage courant : k en cm ; G en S; en mS.cm-1 . 1 S.m-1 = 10-2 S.cm-1 = 10-2 x 103 mS.cm-1 = 10 mS.cm-1 De quelle grandeur dépend ? dépend de C (puisque G dépend de C) À partir de la conclusion du V, que peut-on penser de la variation de solution aqueuse ? avec la concentration C de la G proportionnelle à la concentration C ( d’ apr èsV) G proportionnelle à la concentration (d’ apr èsVI) alors proportionnelle à la concentration C