Aurélie 03/03

Etude d'une pile magnésium acide
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  1. - Les numéros atomiques du sodium et du magnésium sont respectivement 11 et 12. Justifier que leurs ions lmonoatomiques soient respectivement Na+ et Mg2+.
    - L'équation de la réaction : Mg(s) + 2H+ = Mg2+ +H2(aq) a pour cponstante d'équilibre associée K= 1075. Donner l'expression de cette constante.
    - Un système chimique est composé à l'état initial de magnésium métallique, d'ions H+ tels que pH=2, d'ion Mg2+ de concentration 10-5 mol/L et d'ion Cl-. Calculer la valeur initiale du quotient de réaction. Dans quel sens évolueront les concentrations des ions en solution ?
    - Quelle est la conductivité initiale de la solution ? Comment va-t-elle évoluer ?
    l(H+) = 35 10-3 ; l(HO-) = 20 10-3 ; l(Cl-) = 7,6 10-3 ; l(Mg2+) = 10,6 10-3Sm² mol-1.
  2. On réalise le montage suivant :

 
La solution de chlorure de magnésium est neutre initialement du point de vue acido-basique. On constate la formation de bulles sur l'électrode de platine et pas sur le ruban de magnésium. X est une résistance électrique.
- Décrire le déplacement des porteurs de charge au sein de ce dispositif.
- On remplace X par un voltmètre. Comment faut-il le brancher pour que la mesure affichée soit positive.
- Comment évolue le pH de chaque solution au cours de l'expérience ?
- Quel volume de H2 s'est-il formé quand 0,01 mol de magnésium de l'électrode a disparu. Volume molaire = 24 L/mol.

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corrigé
Lors de leurs réactions chimiques, chaque élément tend à aquérir la configuration électronique externe du gaz noble le plus proche ( dans ce cas l'argon Ar K² L8)

perte facile d'un électron par Na (K2L8M1) pour donner Na+.

perte facile de 2 électrons par Mg (K2L8M2) pour donner Mg2+.

K = [Mg2+][H2(aq)] / [H+]² = 1075.

Qinit = 10-5*10-5 / (10-2)² = 10-6.

Qinit< K, donc évolution dans le sens direct ( de gauche à droite)

s = l(H+) [H+] + l(Cl-) [Cl-]+ l(Mg2+) [Mg2+]

concentration exprimée en mol m-3.

les ions HO- sont minotitaires à pH=2

les ions chlorures proviennent essentiellement de l'acide chlorhydrique.

[H+] = 0,01 mol/L = 10 mol m-3.

[Cl-] voisin [H+] ; [Mg2+] = 10-5 mol/L = 10-2 mol m-3.

s = 10-3( 35*10 + 7,6 *10 + 0,6 *0,01) = 0,426 S m-1.

au cours de la réaction H3O+ disparaît, Mg2+ apparaît ; mais l(H+) très supérieure à l(Mg2+) donc s diminue.

Mg s'oxyde : Mg = Mg2+ + 2e-.

c'est l'anode : des électrons sont libérés, c'est l'électrode négative de la pile qu'i faut relier à la borne COM du voltmètre.

Mg2+ apparaît dans la demi pile de gauche : pour maintenir l'électroneutralité de la solution, des ions Cl- migrent du pont salin vers la gauche.

A la cathode positive, réduction 2H+ +2e- = H2(aq)

les électrons circulent dans le circuit extérieur (fil de cuivre) jusqu'au platine

H+ disparaît dans la demi-pile de droite : pour maintenir l'électroneutralité de la solution, des ions K+ migrent du pont salin vers la droite.

demi-pile de gauche, pas de variation de pH.

demi-pile de droite, H+ disparaît, donc le pH augmente.

quand 0,01 mol Mg s'oxyde, il se forme 0,01 mol H2(aq) d'après l'équation bilan

Mg(s) + 2H+ = Mg2+ +H2(aq)

soit en volume 0,01 * 24 = 0,24 litre de dihydrogène

à suivre ...
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