Solution de sulfate de zinc (II)








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date de publication26.10.2017
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TS spé Thème Matériaux/Cycle de vie Oxydoréduction et pile

Les réactions d’oxydoréduction sont un des grands types de réaction chimique, avec les réactions acide-base, intervenant dans de nombreux processus chimiques ou biologiques, en particulier dans le fonctionnement d’une pile.

Le but de ce premier TP est de répondre aux questions suivantes :

  • Qu’est-ce qu’une réaction d’oxydation, de réduction et d’oxydoréduction ?

  • Qu’est-ce qu’un oxydant, un réducteur, un couple oxydant/réducteur ?

  • Quels sont les constituants nécessaires à la réalisation d’une pile et comment cette dernière

fonctionne-t-elle ?

Partie 1 : Oxydo-réduction
Document 1
Une solution de sulfate de cuivre (II) contient les ions Cu2+ (aq) ainsi que les ions (aq).

Une solution de sulfate de zinc contient les ions Zn2+ (aq) ainsi que les ions (aq).

Une plaque de cuivre est constituée uniquement d’atomes de cuivre Cu (s), une plaque de zinc est constituée uniquement d’atomes de zinc Zn (s).

Les ions Cu2+ (aq) forment avec les ions hydroxyde HO- (aq) d’une solution d’hydroxyde de sodium (soude) un précipité bleu d’hydroxyde de cuivre (II) de formule Cu(OH)2 (s).

Les ions Zn2+ (aq) forment avec les ions hydroxyde HO- (aq) d’une solution d’hydroxyde de sodium (soude) un précipité blanc d’hydroxyde de zinc de formule Zn(OH)2 (s).

Au cours d’une réaction d’oxydo-réduction les espèces chimiques en jeu ne peuvent s’échanger que des électrons, à l’exclusion de toute autre particule élémentaire (proton, neutron,.....).

Questions

  • 1. Rappeler la signification de la notation (aq) utilisée dans la formule Cu2+ (aq) ainsi que la notation (s) dans Cu (s).

  • 2. Rappeler la signification de la notation et en déduire la composition de l’ion


Etude expérimentale


  • En utilisant deux bechers, l’un contenant une solution aqueuse de sulfate de cuivre (II) à 1,0.10-2 mol.L-1, l’autre une solution aqueuse de sulfate de zinc à 1,0.10-2 mol.L-1, effectuer dans l’ordre les expériences suivantes :

Plaque de zinc

Solution de sulfate de zinc (II)

Expérience 3

Plaque de cuivre

Solution de sulfate de cuivre (II)

Expérience 1

Plaque de zinc

Solution de sulfate de cuivre (II)

Expérience 4

Plaque de cuivre

Solution de sulfate de zinc (II)

Expérience 2


  • Classer les expériences en précisant s’il y a ou non une transformation apparente et remplir le tableau suivant :







Expérience 1

Expérience 2

Expérience 3

Expérience 4

Transformation apparente

oui non

oui non

oui non

oui non

Argument :



Argument :


Argument :


Argument :


Exploitation et questions


  • 3. Dans le cas d’une transformation apparente dans l’expérience réalisée, identifier les réactifs de la réaction, puis les produits en proposant un protocole expérimental à l’aide des données du document 1.

  • 4. Proposer une équation de réaction à l’aide de la question précédente.

  • 5. Quelle particule a été transférée au cours de la réaction ? Préciser quelle espèce chimique en a gagné et quelle espèce chimique en a perdu et donner l’équation de la réaction de transfert pour chaque espèce chimique en jeu, ces deux équations constituent les deux demi-équations de la réaction de la question 4.

  • 6. Sachant qu’une réaction d’oxydation est une réaction au cours de laquelle il y a perte d’électrons, identifier parmi les deux demi-équations, laquelle est la réaction d’oxydation.

  • 7. En déduire laquelle est la réaction de réduction et justifier que dans ce cas il y a bien gain d’électrons.

  • 8. Sachant qu’un oxydant est une espèce susceptible de gagner des électrons et un réducteur une espèce susceptible de perdre des électrons, préciser quels sont les deux oxydants et les deux réducteurs qui interviennent dans la réaction de la question 4.

  • 9. Sachant qu’un couple oxydant /réducteur , noté Ox/Red, avec l’oxydant placé à gauche, est constitué des deux espèces qui se transforment l’une en l’autre par échange d’électrons, écrire les deux couples intervenant dans la réaction d’oxydoréduction de la question 4.



Conclusion


  • À tout couple Ox/Red , on associe la demi-équation écrite conventionnellement dans le sens de la réduction : Ox + n e- = Red

  • Toute réaction d’oxydoréduction fait intervenir deux couples Ox1/Red1 et Ox2/Red2. La connaissance des couples ne suffit pas à prévoir dans quel sens la réaction spontanée a lieu, il faut faire intervenir une notion (potentiel normal d’oxydo-réduction) ne figurant pas au programme du lycée pour prévoir le sens de la réaction spontanée.

  • La réaction d’oxydoréduction spontanée s’effectuant entre deux couples fait intervenir, comme réactifs, l’oxydant et le réducteur les plus forts, et, comme produits, le réducteur et l’oxydant les plus faibles.



  • 10. Écrire la demi-équation du couple Al3+/Al

  • 11. Écrire les deux demi-équations des couples Al3+/Al et Ag+/Ag et les deux équations d’oxydoréduction a priori possibles.

  • 12. Déterminer l’oxydant le plus fort et le réducteur le plus fort des deux couples de la question 4.



Partie 2 : Pile
Document 2
Une pile électrochimique est constituée de deux compartiments différents et indépendants, chacun d’eux comportant un couple d’oxydoréduction différent (à quelques exceptions marginales près), donc dans chaque compartiment réducteur et oxydant du même couple sont en contact l’un avec l’autre. Les deux compartiments sont reliés l’un à l’autre par l’extérieur lorsque la pile débite, c’est-à-dire lorsqu’elle fournit de l’énergie électrique.

Une pile électrochimique est le siège d’une réaction d’oxydoréduction, le transfert d’électrons s’effectuant par l’extérieur de la pile, d’un couple à l’autre, la réaction d’oxydation se fait dans un compartiment, la réduction dans l’autre.

L’anode d’une pile est le siège de la réaction d’oxydation, la cathode est le siège de la réaction de réduction.

Dans un circuit électrique, le courant ne circule que si le circuit est fermé, dans ce cas il circule de la borne + du générateur à la borne – du générateur, à l’extérieur de ce dernier.

Dans un conducteur électrique, un courant électrique correspond à un déplacement ordonné d’électrons, dans un électrolyte (solution ionique) un courant correspond à un déplacement ordonné d’ions. Le sens de circulation des électrons est le sens opposé de celui du courant.

La tension électrique mesurée entre les bornes d’une pile (ou de tout autre générateur électrique) lorsqu’elle ne débite pas (intensité du courant I = 0) est appelée force électromotrice (f.e.m.), notée E.

Lorsqu’un voltmètre branché aux bornes d’une pile indique une tension positive, la borne reliée à la borne V du voltmètre est la borne + de la pile, la borne reliée à la borne COM du voltmètre est la borne – de la pile.

Dans un circuit électrique fermé comportant un ampèremètre indiquant une intensité de courant positive, le courant entre dans l’ampèremètre par la borne A (ou mA) de l’ampèremètre et ressort par la borne COM.

Une pile Daniell est une pile associant les deux couples Cu2+/Cu et Zn2+/Zn
Questions et étude expérimentale


  • 13. Quels sont les deux éléments (les deux compartiments) des schémas des expériences 1, 2, 3 et 4 de la partie 1 qu’il faut associer pour réaliser une pile Daniell ?

  • 14. Sur le schéma ci-contre, indiquer le sens du courant et le sens des électrons :




  • 15. Sur chacun des schémas ci-dessous, placer le symbole de la pile en accord avec les indications de l’ampèremètre.




  • 16. Réaliser la pile Daniell et placer en série, entre les deux bornes de la pile, un conducteur ohmique de résistance R = 33  comme sur l’un des deux schémas de la question précédente. Pour quelle raison évidente l’ampèremètre indique-t-il une valeur nulle ?

  • 17. Placer un pont salin entre les deux électrolytes et déterminer le sens du courant ainsi que celui des électrons dans le circuit extérieur à la pile. En déduire le signe des bornes de la pile et proposer un protocole permettant de le vérifier à l’aide du voltmètre.

  • 18. Décrire ce qui se passe au niveau de la plaque de cuivre et écrire la demi-équation de la réaction qui s'y déroule. Faire de même quant à la plaque de zinc et écrire la demi-équation de la réaction qui s'y déroule. En déduire l’anode et la cathode de cette pile.

  • 19. En déduire l’équation globale de fonctionnement de la pile et vérifier que c’est bien la même que celle obtenue dans la partie 1.

  • 20. Prévoir l’évolution qualitative de la masse de chacune des électrodes de cette pile au cours de son fonctionnement ainsi que l’évolution qualitative de la concentration en ions Cu2+ et Zn2+ des deux électrolytes.


Conclusion


  • Dans une pile, le transfert d’électrons se fait par l'intermédiaire du circuit extérieur : on parle de transfert indirect d'électrons alors qu’il y a transfert direct d’électrons entre les espèces Zn et Cu2+ tel qu’on l’a vu dans la partie 1.

  • Une pile convertit de l'énergie chimique issue d’une réaction d’oxydoréduction en énergie électrique.


Aide en cas de difficultés à réaliser la pile Daniell

Schéma du montage




TS spé Thème Matériaux/Cycle de vie Oxydoréduction et pile


FICHE MATERIEL ET PRODUITS

Par poste : prévoir 9 postes
● 2 becher 100 mL

● plaque Cu et plaque Zn

● toile émeri + chiffon

● 4 tubes à essai

● flacon de soude 0,10 mol.L-1 

● flacon de sulfate de cuivre 0,010 mol.L-1 

● flacon de sulfate de zinc 0,010 mol.L-1 

● support pour fixer les électrodes

● 1 multimètre

● fils de connexion (3)

● planchette de connexion

● résistance 33 

● pont salin en verre ou papier (faisant office) avec solution KCl

Au bureau :
Matériel :
● compte-gouttes

● un jeu de tubes à essai

● 1 flacon chlorure de baryum

● qqes multimètres en réserve

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