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Objectifs :

- Réaliser des piles avec le matériel mis à ma disposition.
- Compléter les schémas des piles réalisées.
- Mesurer la force électromotrice de la pile.
- Indiquer le sens de circulation du courant électrique.
- Déterminer la polarité de chaque électrode.
- Donner la représentation formelle des piles réalisées.
- Ecrire les équations aux électrodes.
- Ecrire l'équation globale de fonctionnement de la pile.

Matériels :

- Lame de cuivre.
- Lame de fer
- Lame de plomb
- Fil d'argent
- Lame de zinc

- Solution de sulfate de cuivre CuSO4
- Solution de sulfate de fer II FeSO4
- Solution de nitrate de plomb PbNO3
- Solution de nitrate d'argent AgNO3
- Solution de sulfate de zinc ZnSO4

- Béchers
- Pont salin KNO3
- Voltmètre

Questions :

1. Quel est le métal le plus réducteur ?
2. Classer du plus réducteur au plus oxydant les différents couples redox.
3. Quelle pile permet d'obtenir la f.é.m la plus élevée ?
4. Le fonctionnement de la pile dépend-il des couples mis en jeu ?
5. Proposer un protocole expérimental permettant de montrer que le fonctionnement de la pile dépend des quantités de matière présentes.

Représentation formelle de la pile   ...............................................................	Représentation formelle de la pile   ...............................................................
Equation à cette électrode // Equation à cette électrode ................................. // ................................... Equation globale ......................................................	Equation à cette électrode // Equation à cette électrode ................................. // ...................................  Equation globale ..................................................

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On reprend l'une des piles étudiées lors du TP précédent constituée des demi-piles Ag⁺ / Ag et Cu²⁺ / Cu.

On veut mettre en évidence comment " recharger " cette pile.

Dans un premier temps, on cherche à obtenir une pile usée.
Dans un second temps, on souhaite " recharger " cette pile usée.

I. Obtention de la pile usée.

1. Constituer la pile
en versant 20 mL de solution dans chaque compartiment de chaque demi-pile.

Question discussion : Cette pile est-elle hors équilibre ?

Pour répondre à cette question,

- Rappeler à partir des résultats expérimentaux du TP précédent quel était le sens d'évolution spontanée de la pile constituée des demi-piles Ag⁺ / Ag et Cu²⁺ / Cu dont l'équation globale est indiquée sur la feuille réponse.
- Calculer le quotient de réaction dans les conditions initiales Q_r,i = et comparer sa valeur à celle de la constante d'équilibre K = 2,15 x 10¹⁵.
- Le système est-il hors équilibre ?

2. Brancher entre les deux électrodes un fil électrique (court-circuit) et un ampèremètre en série.
Débrancher le fil quand l'intensité est négligeable (I < 0,01 mA).
Mesurer la tension E aux bornes de la pile à l'aide d'un voltmètre.
Noter cette valeur dans le tableau de la feuille réponse (partie II).

Question discussion : Comment va évoluer le système lors de ce branchement en court-circuit ?
Répondre sur la feuille réponse.

3. Prélever 1,0 mL à l'aide d'une pipette graduée de solution dans le compartiment de l'argent et verser le dans un tube à essai.
Ajouter 2,0 mL de solution de chlorure de sodium saturée.
Observer et conserver le tube comme témoin.

Question discussion : Quel est l'état du système quand le courant ne passe plus ?

- A partir de l'observation précédente, indiquer s'il y a des ions Ag+ dans le compartiment de l'argent quand le courant ne passe plus ?

Conclusion : Dans ces conditions, la pile est-elle usée ?

II. Recharge de la pile.

1. Changement du sens d'évolution spontané du système.

Réaliser le montage suivant après avoir répondu à la question :

Question discussion : Comment doit-on orienter le générateur afin que le sens du courant imposé permette la recharge de la pile ? (Placer sur le schéma ci-dessous, la borne positive du générateur).

2. Evolution du système lors de la recharge de la pile.

- Mettre l'interrupteur en position (1).
- Régler le générateur de façon à avoir une intensité de l'ordre de quelques milliampères.
- Laisser le courant circuler pendant une quinzaine de minutes en vérifiant que l'intensité ne varie pas.
- Mesurer la tension aux bornes de la pile au bout de 5 min, 10 min et 15 min en plaçant momentanément l'interrupteur en position (2). Noter vos résultats sur la feuille annexe.
- Au bout de 15 min, prélever 1,0 mL de solution dans le compartiment de l'argent et verser le dans un tube à essai. Ajouter 2,0 mL de solution de chlorure de sodium saturée.

Question discussion :

- Pendant la charge, indiquer sur le schéma le sens du courant et des électrons.
- En déduire les réactions aux électrodes et comparer ces réactions à celles quand la pile débite dans le sens d'évolution spontanée. Répondre sur la feuille annexe.
- Observer le résultat obtenu lors du test avec la solution saturée de chlorure de sodium et comparer avec le tube témoin. Ce test confirme-t-il les réactions aux électrodes lors de la recharge ?
- En admettant que pendant la charge l'intensité est constante et égale à I = 5,0 mA, calculer la quantité d'ions argent formé au bout de 15 min.
Donnée : 1 F : 96500 C.
- En vous aidant du tableau d'évolution du système à compléter sur la feuille réponse, déterminer quelle était la quantité d'ions Ag+ présente dans le bécher quand le système était à l'équilibre ?
Rappel : K = 2,15 x 10¹⁵et V = 20 mL.
- Compléter la conclusion sur la feuille réponse.

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I. Obtention de la pile usée.

1. Constitution de la pile .

- sens d'évolution spontanée :

- Quotient de réaction dans les conditions initiales Q_r,i = ……………….

- Comparaison de Q_r,i et de K Q_r,i ……… K

- Le système est ………. équilibre.

2. Branchement en court-circuit.

Sens d'évolution lors du court-circuit :

3. Etat du système.

- Le résultat du test avec la solution saturée de chlorure de sodium, nous indique ….………………………

Conclusion : …………………………………………………………………………………………………..

II. Recharge de la pile.

1. Changement du sens d'évolution spontanée du système.
2. Evolution du système lors de la recharge de la pile.

- Lorsque la pile est en recharge :

Réaction à l'électrode de cuivre : …………………………………

Réaction à l'électrode d'argent : …………………………………

- Lorsque la pile débite (sens d'évolution spontanée) :

Réaction à l'électrode de cuivre : …………………………………

Réaction à l'électrode d'argent : …………………………………

- Evolution de la tension :

- Le test avec la solution saturée de chlorure de sodium nous indique.............................................................

- Quantité d'ions formés (mol) : ……………………………………………………………………….

- Tableau d'évolution du système :

- Détermination de x_final quand le système est à l'équilibre :

- Conclusion : on peut, dans certains cas, changer le sens ……………………………. d'un système en imposant un courant de sens ………………….. à celui observé lorsque le système évolue spontanément. On dit que la transformation est ………………………..