Fonctionnement d'une pile concours ENI GEIPI 2009.

On sait par expérience que le cuivre métallique est attaqué chimiquement s’il est plongé dans une solution d’ions Fe3+. L’analyse chimique au cours de la réaction met en évidence l’apparition d’ions ferreux et cuivriques (respectivement Fe2+ et Cu2+). Ecrire l’équation-bilan de cette réaction. Cu(s) + 2Fe3+aq = 2Fe2+ aq + Cu2+aq. Préciser parmi les espèces chimiques présentes celles qui jouent le rôle d’oxydant / le rôle de réducteur lors de la réaction. Le cuivre Cu(s) s'oxyde en ion Cu2+aqsuivant : Cu(s) = Cu2+aq + 2e-. La cuivre Cu(s) joue le rôle de réducteur. Fe3+aq se réduit en Fe2+ aq suivant : 2 Fe3+aq + 2e- = 2Fe2+ aq Fe3+aq joue le rôle d'oxydant. On connaît la valeur de la constante d’équilibre de la réaction à température ambiante : K = 4.1014. Donner l’expression littérale de K en fonction des concentrations des réactants à l’équilibre. K = [Fe2+ aq]2[Cu2+aq] / [Fe3+aq]2. On réalise maintenant le dispositif expérimental suivant, dans lequel les concentrations sont : • compartiment 1 : solution de sulfate de cuivre : [CuSO4] = 0,01 mol.L-1. • compartiment 2 : solution de chlorure de fer II [FeCl2] = 0,01 mol.L-1 + chlorure de fer III [FeCl3] = 0,01 mol.L-1. Le pont salin est quant à lui constitué d’une solution gélifiée de chlorure de potassium de concentration massique [KCl] = 75 g L-1. Calculer la concentration molaire de la solution du pont salin. M(K) =39,1 g/mol ; M(Cl) = 35,5 g/mol. M(KCl )= 39,1 +35,5 =74,6 g/mol Concentration molaire = concentration massique / masse molaire = 75/ 74,6 =1,0 mol/L. Déterminer le quotient réactionnel Q du système au début de l’expérience (interrupteur ouvert). Q = [Fe2+ aq]i2[Cu2+aq]i / [Fe3+aq]i2 = 0,012*0,01 / 0,012 = 0,01. Q << K donc évolution spontanée dans le sens direct. Fonctionnement de la pile : On ferme l’interrupteur. Compléter le schéma en précisant : - la polarité + / - des deux électrodes - s’il existe, le sens du courant dans le conducteur ohmique - s’il existe, le sens du courant dans le pont salin - la nature des électrodes : anode ou cathode : compartiment 1 - compartiment 2 - les réactions électrochimiques : compartiment 1 - compartiment 2   Après 60 minutes, on peut mesurer que la masse électrode de cuivre a diminué de 88,9 mg . M(Cu) = 63,5 g/mol. Quelle quantité (en mol) de cuivre métal a été consommée ? n = m/ M = 88,9 10-3 / 63,5 =1,40 10-3 mol. Quelle est la quantité d’électricité (en C) échangée pendant ces 60 minutes ? faraday : 1 F = 96500 C/mol Cu(s) = Cu2+aq + 2e-. d'où la quantité de matière d'électrons n(e-) = 2 n(Cu) = 2,8 10-3 mol. Q = n(e-) F = 2,8 10-3 *96500 =270,2 ~270 C. Quelle a été l’intensité moyenne du courant électrique débité par la pile pendant ce temps (I moyenne sur 60 minutes ) ? I= Q/t = 270 / (60*60) = 7,5 10-2 A. Au bout d’un temps très long, l’intensité du courant décroît et finit par s’annuler. Donner alors la valeur du quotient réactionnel du système. L'équilibre est atteint : Q = K = 4.1014.

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