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

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 ;

Faire un schéma du montage en précisant anode et cathode.
Qu'observe t-on à l'électrode reliée à la borne - du générateur. Ecrire la réaction s'y déroulant.
Qu'observe t-on à l'électrode reliée à la borne + du générateur. Ecrire la réaction s'y déroulant.
Que peut-il se passer si la tension imposée à l'électrolyseur est beaucoup plus importante ? Peut-on repérer visuellement le phénomène ?

Pile Daniell :

Dresser la liste du matériel nécessaire pour réaliser une pile Daniell à deux compartiment séparés. Faire le schéma.
Représenter un schéma annoté d'un circuit électrique permettant de déterminer la caractéristique de cette pile.
Ecrire les demi-équations se déroulant à chaque électrode. Quelle est l'anode ? Quelle est la cathode ? Ecrire la réaction globale de la pile.
Quel est le rôle du pont salin ?
Calculer la fem de la pile.
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 ?
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 SO₄^2- 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 SO₄^2- 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 x_fin 0,031-x_fin 0,02-x_fin 0,02+x_fin 0,031+x_fin

si Zn en défaut : 0,031-x_fin = 0 soit x_fin = 0,031 mol

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

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