DURÉE DE FONCTIONNEMENT D’UNE PILE CUIVRE – ALUMINIUM

Une pile est composée de deux demi-piles reliées par un pont salin (papier filtre imbibé d’une solution de chlorure de potassium). La première demi-pile est constituée d’une lame d’aluminium de masse m1 = 1,0 g qui plonge dans 50 mL de solution de sulfate d’aluminium (2Al3+

(aq) + 3SO42-

(aq)) de concentration en ion aluminium [Al3+

(aq)] = 5,0.10-1 mol.L-1. La seconde est constituée d’une lame de cuivre de masse m2 = 8,9 g qui plonge dans 50 mL de solution de sulfate de cuivre (Cu2+

(aq) + SO42-

(aq)) de concentration [Cu2+(aq)] = 5,0.10-1 mol.L-1.

On associe à cette pile un ampèremètre et une résistance en série.

1. Réaliser le schéma annoté de la pile.

2. L’ampèremètre indique que le courant circule de la plaque de cuivre vers la plaque d’aluminium à l’extérieur de la pile. Préciser, en le justifiant, la polarité de la pile. Compléter votre schéma en indiquant cette polarité.

3. L’équation d’oxydoréduction de fonctionnement de la pile est :

3 Cu2+(aq) + 2Al(s) = 3 Cu(s) + 2 Al3+

(aq) (1)

Écrire les équations des réactions se produisant à chaque électrode.

4. La constante d’équilibre associée à l’équation (1) est K = 10200. 4.1. Déterminer le quotient initial de réaction du système ainsi constitué.

4.2. Le sens d’évolution du système étudié est-il cohérent ?

5. Étude de la pile en fonctionnement. 5.1. Déterminer les quantités de matière initiales en moles des réactifs de l’équation chimique (1).

Compléter le tableau descriptif de l’évolution du système (voir annexe 3 à rendre avec la copie). En déduire la valeur de l’avancement maximal.

5.2. Calculer la quantité maximale d’électricité que peut débiter cette pile.

Données : F = 9,6.104 C.mol-1 ; M(Al) = 27,0 g.mol–1 ; M(Cu) = 63,5 g.mol–1 Couples redox : Cu2+

(aq) / Cu(s) Al3+(aq) / Al(s)

Tableau descriptif du système :

Équation 3 Cu2+(aq) + 2 Al(s) = 3 Cu(s) + 2 Al3+

(aq)

État du système Avancement (mol) Quantités de matière (mol)

État initial 0 14.10–2 2,5.10–2

En cours de transformation x

1. schéma annoté de la pile 2. Polarité de la pile Le courant circule de la plaque de cuivre vers celle en aluminium. Or le courant sort par la borne + d’un générateur. Donc la borne + est en cuivre, l’aluminium est la borne −.

RAPont salin : (K+ + Cl−)

Electrode de cuivre

Solution de sulfate de cuivre (Cu2+ + SO4

2−)

Electrode en aluminium

Solution de sulfate d’aluminium

(2Al3+ + 3SO42−)

RAPont salin : (K+ + Cl−)

Electrode de cuivre

Solution de sulfate de cuivre (Cu2+ + SO4

2−)

Electrode en aluminium

Solution de sulfate d’aluminium

(2Al3+ + 3SO42−)

− + I

3. Réactions aux électrodes

L’équation de pile : 3 Cu2+(aq) + 2Al(s) = 3 Cu(s) + 2 Al3+

(aq) peut se décomposer en :

Cu2+(aq) + 2 e− = Cu (s)

Al (s) = Al3+(aq) + 3 e−

4. Quotient de réaction

Dans l’état initial : ( )( )

2 23+ 1ini

r,ini 3 3 12+ 1ini

Al 5,0.10 1Q 25,0.10Cu 5,0.10

−

−−

⎡ ⎤⎣ ⎦= = = =⎡ ⎤⎣ ⎦

Qr,ini < K or le système chimique évolue de sorte que Qr tend vers K, donc ici dans le sens direct. 5. Etude de la pile en fonctionnement 5.1.

Équation 3 Cu2+(aq) + 2 Al(s) = 3 Cu(s) + 2 Al3+

(aq)

État du système Avancement (mol) Quantités de matière (mol)

État initial 0 2,5.10-2 3,7.10-2 14.10–2 2,5.10–2

En cours de transformation x 2,5.10-2 - 3x 3,7.10-2 – 2x 14.10-2 + 3x 2,5.10–2 + 2x

L’avancement maximal est atteint pour la plus petite valeur de x annulant l’une des quantités de matière d’un des réactifs.

2,5.10-2 - 3xmax = 0 donne xmax = 22,5.10

3

−

= 8,3.10-3 mol

3,7.10-2 – 2xmax = 0 donne xmax = 23,7.10

2

−

= 1,9.10-2 mol.

Réduction à la cathode

Oxydation à l’anode

n(Cu2+) = [Cu2+]×V = 5.10-1×0,05

= 2,5.10-2 mol

n(Al) = Al

m(Al)M

= 1,0 / 27 = 3,7.10-2 mol

5.2. Quantité d’électricité maximale débitée par la pile Le réactif limitant est l’ion Cu2+. La pile fera donc réagir 2,5.10-2 mol d’ions Cu2+. A la demi-pile contenant l’électrode de cuivre a lieu la réaction : Cu2+

(aq) + 2 e− = Cu (s) Pour 1 mol d’ions Cu2+ consommés, la pile fait circuler 2 mol d’électrons. Par conséquent, lorsque l’avancement final est atteint, il aura circulé : 2 × 2,5.10-2 = 5,0.10-2 mol d’électrons. La quantité d’électricité correspondante sera de Q = n(e−) × F = 5.10-2 × 96500 = 4,8.103 C

DURÉE DE FONCTIONNEMENT D’UNE PILE CUIVRE – ALUMINIUM

Une pile est composée de deux demi-piles reliées par un pont salin (papier filtre imbibé d’une solution de chlorure de potassium). La première demi-pile est constituée d’une lame d’aluminium de masse m1 = 1,0 g qui plonge dans 50 mL de solution de sulfate d’aluminium (2Al3+

(aq) + 3SO42-

(aq)) de concentration en ion aluminium [Al3+

(aq)] = 5,0.10-1 mol.L-1. La seconde est constituée d’une lame de cuivre de masse m2 = 8,9 g qui plonge dans 50 mL de solution de sulfate de cuivre (Cu2+

(aq) + SO42-

(aq)) de concentration [Cu2+(aq)] = 5,0.10-1 mol.L-1.

On associe à cette pile un ampèremètre et une résistance en série.

1. Réaliser le schéma annoté de la pile.

2. L’ampèremètre indique que le courant circule de la plaque de cuivre vers la plaque d’aluminium à l’extérieur de la pile. Préciser, en le justifiant, la polarité de la pile. Compléter votre schéma en indiquant cette polarité.

3. L’équation d’oxydoréduction de fonctionnement de la pile est :

3 Cu2+(aq) + 2Al(s) = 3 Cu(s) + 2 Al3+

(aq) (1)

Écrire les équations des réactions se produisant à chaque électrode.

4. La constante d’équilibre associée à l’équation (1) est K = 10200. 5.3. Déterminer le quotient initial de réaction du système ainsi constitué.

5.4. Le sens d’évolution du système étudié est-il cohérent ?

5. Étude de la pile en fonctionnement. 5.5. Déterminer les quantités de matière initiales en moles des réactifs de l’équation chimique (1).

Compléter le tableau descriptif de l’évolution du système (voir annexe 3 à rendre avec la copie). En déduire la valeur de l’avancement maximal.

5.6. Calculer la quantité maximale d’électricité que peut débiter cette pile.

Données : F = 9,6.104 C.mol-1 ; M(Al) = 27,0 g.mol–1 ; M(Cu) = 63,5 g.mol–1 Couples redox : Cu2+

(aq) / Cu(s) Al3+(aq) / Al(s)

Tableau descriptif du système :

Équation 3 Cu2+(aq) + 2 Al(s) = 3 Cu(s) + 2 Al3+

(aq)

État du système Avancement (mol) Quantités de matière (mol)

État initial 0 14.10–2 2,5.10–2

En cours de transformation x