Étude d'une pile électrique


Chapitre 11,3


L’objectif de cet exercice est l’étude de la pile cuivre – argent, réalisé à l’aide de solutions de nitrate d’argent $(\ce{Ag+ (aq) + NO3^- (aq)})$ et de sulfate de cuivre $(\ce{Cu^{2+} (aq) + SO4^{2-} (aq)})$.

Données

  • Faraday : $1 {\cal F} = \pu{96,5e3 C.mol-1}$ ;

  • Masses molaires : $M(\ce{Cu}) = \pu{63,5 g.mol-1}$ ; $M(\ce{Ag}) = \pu{108,0 g.mol-1}$ ;

  • $C^o = \pu{1,0 mol.L-1}$.

Étude descriptive de la pile

Afin de déterminer expérimentalement le pôle positif de la pile, on branche en série une résistance $R$ et un ampèremètre.

  1. Reprendre le schéma de la pile sur sa feuille en remplaçant la zone intérieure en pointillés par un schéma annoté de la pile faisant intervenir deux demi-piles ($\ce{Ag+/Ag}$, $\ce{Cu^{2+}/Cu}$) et un pont salin.

  2. Quel est le rôle du pont salin dans le dispositif ?

  3. Déterminer, à l’aide de la figure l’armature qui constitue le pôle positif de la pile.

Pile et réaction chimique

  1. À partir de la réponse à la question précédente déterminer la nature et le mouvement des porteurs de charge électrique dans les fils, dans les solutions aqueuses et dans le pont salin.

  2. En déduire le type de réaction chimique intervenant au niveau de chaque électrode.

  3. Écrire les équations électroniques des réactions chimiques se déroulant dans chaque demi-pile.

  4. Vérifier que l’équation de la réaction est : $$ \ce{ Cu (s) + 2 Ag+ (aq) <=> Cu^{2+} (aq) + 2 Ag (aq)} $$

La constante d’équilibre $K$ de cette réaction vaut $K = \pu{2e15}$.

  1. Donner la définition du quotient réaction $Q_{r}$ (pour un état quelconque du système chimique) de la réaction précédente.

  2. On utilise, pour réaliser cette pile, des solutions de nitrate d’argent et de sulfate de cuivre de même concentration $C = \pu{0,10 mol.L-1}$. Quelle est la valeur initiale $Q_{r,i}$ du quotient de réaction ? En déduire le sens d’évolution spontanée du système.

  3. Retrouve-t-on, à l’issu de la question précédente, la même position du pôle positif qu’à la question 3. ?

Pile et électricité

La pile débite un courant électrique d’intensité $\pu{10,0 mA}$ (supposée constante) durant $\pu{1,00 h}$.

  1. Quelle charge électrique a circulé dans les fil pendant l’expérience ?

  2. Calculer les variations des quantités de matière de $\ce{Cu}$ et de $\ce{Ag}$ lors de cette expérience.

  3. En déduire les variations de masse correspondantes.

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