Aide technique laboratoire ( d'après concours 2004 Paris) électrochimie ;

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Electrochimie :

Un tube en U est rempli d'une solution de bromure de cuivre II à 0,1 mol/L. Deux électrodes de graphite, placés dans la solution, sont reliées à un générateur de tension continue réglé à 1,2 V. E°(Cu2+/Cu) = 0,34 V ; E°(Br2/Br-) = 1,09 V ; E°(O2/H2O) = 1,23 V ; E°(Zn2+/Zn) = -0,76 V ;

  1. Faire un schéma du montage en précisant anode et cathode.
  2. Qu'observe t-on à l'électrode reliée à la borne - du générateur. Ecrire la réaction s'y déroulant.
  3. Qu'observe t-on à l'électrode reliée à la borne + du générateur. Ecrire la réaction s'y déroulant.
  4. Que peut-il se passer si la tension imposée à l'électrolyseur est beaucoup plus importante ? Peut-on repérer visuellement le phénomène ?
Pile Daniell :
  1. Dresser la liste du matériel nécessaire pour réaliser une pile Daniell à deux compartiment séparés. Faire le schéma.
  2. Représenter un schéma annoté d'un circuit électrique permettant de déterminer la caractéristique de cette pile.
  3. Ecrire les demi-équations se déroulant à chaque électrode. Quelle est l'anode ? Quelle est la cathode ? Ecrire la réaction globale de la pile.
  4. Quel est le rôle du pont salin ?
  5. Calculer la fem de la pile.
  6. La partie immergée de chaque électrode pèse dans l'état initial 2,0 g. Les demi-piles contiennent 100 mL de solutions électrolytiques de concentrations molaires en ions métalliques égales à 0,2 mol/L. Les concentrations de ces ions varient-elles ? Si oui, comment ?
  7. Quel est le réactif limitant ? Justifier. Zn : 65,4 ; Cu : 63,5 g/mol.
 corrigé
espèces chimiques initialement présentes en solution : H2O, Cu2+ et Br-.

A l'anode positive, les ions Br- s'oxydent en Br2 rouge brun.

2Br- = Br2 + 2e-.

A la cathode négative, les ions Cu2+ se réduisent en Cu(s).

Cu2+ + 2e-= Cu(s)

équation de la réaction associée à l'électrolyse :

Cu2+ +2Br- = Br2 + Cu(s)

Si la tension imposée à l'électrolyseur est beaucoup plus importante, on observera l'oxydation de l'eau en dioxygène à l'anode et la réduction de l'eau en dihydrogène à la cathode.( ces dégagements de H2 et O2 permettent de repérer visuellement ce phénomène).

Schéma de la pile Daniell

Schéma annoté d'un circuit électrique permettant de déterminer la caractéristique de cette pile.

à l'anode négative, le zinc s'oxyde : Zn (s) = Zn2+ + 2e-.

à la cathode positive, les ions Cu2+ se réduisent : Cu2+ + 2e- = Cu(s).

Dans les plaques métalliques et dans les fils de cuivre, les électrons assurent le passage du courant.

Rôle du pont salin : assure la continuité électrique et assure l'électroneutralité des solutions.

Dans les solutions et le pont salin les ions assurent le passage du courant électrique.

solution ZnSO4 : migration des ions sulfate SO42- vers la droite.

La concentration en ion Zn2+ augmente ; pour assurer l'électroneutralité de la solution, migration des ions Cl- du pont salin vers le bécher de gauche.

solution CuSO4 : migration des ions sulfate SO42- vers la droite.

La concentration en ion Cu2+ diminue ; pour assurer l'électroneutralité de la solution, migration des ions K+ du pont salin vers le bécher de droite.

Le pont salin est réalisé simplement en utilisant une bande de papier buvard imprégé de KCl. ( on peut aussi réaliser un gel conducteur dans un tube de verre en forme de U)

fem de la pile : E°(Cu2+/Cu) -E°(Zn2+/Zn) = 0,34-(-0,76)=1,1 V.

réaction globale de la pile : Zn (s) + Cu2+ = Zn2+ + Cu(s).

le réactif limitant :

quantités de matière initiales : n(Zn) = m/M= 2/65,4 = 0,031 mol ; n(Cu) = 2/63,5 = 0,031 mol

n(Cu2+)=n(Zn2+)= c V = 0,2*0,1 = 0,02 mol
avancement (mol)
Zn (s)
+ Cu2+
= Zn2+
+ Cu(s)
initial
0
0,031
0,02
0,02
0,031
en cours
x
0,031-x
0,02-x
0,02+x
0,031+x
fin
xfin
0,031-xfin
0,02-xfin
0,02+xfin
0,031+xfin
si Zn en défaut : 0,031-xfin = 0 soit xfin = 0,031 mol

si Cu2+ en défaut : 0,02-xfin = 0 soit xfin = 0,02 mol ( Cu2+ constitue le réactif limitant)



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