Entrainement TS pile /électrolyse

Entrainement TS pile /électrolyse
Exercice de chimie : pile et électrolyse avec le cuivre (9 points, 50 minutes)
Rappel :
Conductivités molaires : λ(Cu2+) = 10,72 mS.m2.mol-1
σ =
∑
λ i * ci
λ(SO42-) = 16,00 mS.m2.mol-1
ions
I Détermination d’une concentration en ions cuivre (II) Cu2+(aq) d’une solution S1 de sulfate de cuivre
(Cu2+(aq) + SO42-(aq))
On considère 100 mL d’une solution S1 de sulfate de cuivre de concentration c1 inconnue en Cu2+ et en SO42-. On y
ajoute des ions iodure en excès qui réagissent avec les ions Cu2+(aq) suivant la réaction totale suivante en sens direct :
2Cu2+(aq) + 4 I-(aq) = 2 CuI(s) +I2(aq)
1) On note n1 la quantité initiale en Cu2+ et n’ la quantité finale en I2. En s’aidant du tableau d’avancement n°1 donné
en annexe, établir soigneusement la relation entre n1 et n’.
2) On dose alors la quantité n’ de I2 présente grâce à une solution titrante d’ions thiosulfate S2O32-(aq) de concentration
c = 1,0.10-1 mol.L-1. La réaction de dosage est la suivante :
I2(aq) + 2 S2O32-(aq) = 2 I-(aq) + S4O62-(aq)
a) De quel type de réaction s’agit-il ? Donner les demi-réactions correspondantes et les couples en présence.
b) L’équivalence a lieu quand un volume VE = 12,3 mL a été ajouté. Qu’appelle-t-on équivalence lors d’un
dosage ?
c) En déduire proprement l’expression de n’. Le candidat pourra s’aider d’un tableau d’avancement.
3) En s’aidant des questions précédentes, calculer la concentration c1 de la solution S1.
II Electrolyse
On plonge entièrement une lame de cuivre de masse mlame,i dans un bécher contenant 200 mL de solution S1 de sulfate
de cuivre de concentration c1 = 1,2 mol.L-1. On y plonge également une pièce métallique qu’on souhaite recouvrir de cuivre
(figure 1).
1) Quel appareil faut-il utiliser pour faire ce dépôt ?
2) Quelle réaction a lieu sur la pièce métallique ? Et sur l’autre électrode qui voit sa masse diminuer ? En déduire le
sens des électrons, le sens conventionnel du courant et la polarité en complétant la figure 2 puis le tableau d’avancement
complet de la réaction 2 en différenciant Culame et Cupièce
3) La réaction a lieu à intensité constante I = 80 mA pendant d = 2h00
a) Déterminer les expressions littérales utilisant I, d, M(Cu), ρ(Cu) et F de
- la quantité d’électricité q débitée,
- la quantité de matière d’électrons échangée,
- la masse de cuivre déposé sur la pièce,
- la variation du volume de cuivre ∆Vlame de la lame de cuivre.
b) Sachant que 1 F = 96,5.103 C.mol-1, M(Cu) = 63,5 g.mol-1 et ρ(Cu) = 8,96.103 kg.m-3 déterminer ∆Vlame.
c) Quelle est la variation de la concentration en ions Cu2+(aq) dans le bécher pendant l’électrolyse ? Justifier.
Quelle est la variation de la conductivité de la solution ?
III Pile de concentration
On considère une pile constituée de deux électrodes de cuivre plongeant chacune dans des solutions de sulfate de
cuivre de concentration c1 = 1,2 mol.L-1 pour l’une (indices 1 pou le compartiment de gauche : on notera Cu(1)(s), Cu2+(1)(aq)
etc.) et c2 = 1,0.10-2 mol.L-1 pour l’autre (indices 2 pour le compartiment de droite).
1) On a déterminé les pôles de cette pile (voir figure 2 en annexe). De cette polarisation, en déduire les demiéquations à chaque électrode, la nature des électrodes et l’équation totale lorsque la pile débite, en sens direct.
2) L’équation précédente a une constante de réaction K égale à 1,0.
a) Une pile fonctionne-t-elle selon une évolution forcée ou une évolution spontanée ?
b) Le critère d’évolution est-il respecté ici ? On calculera pour cela le quotient initial de réaction.
3) On fait débiter la pile dans un conducteur ohmique et un ampèremètre qui affiche une valeur négative.
a) Compléter le schéma avec le conducteur et l’ampèremètre en spécifiant le sens du courant et les bornes de
l’ampèremètre. Justifier.
b) La pile débite pendant un certain temps jusqu’à sa mort. Que peut-on dire des concentrations finales en
Cu2+(aq) quand l’état d’équilibre est atteint ? On ne cherchera pas à trouver les valeurs numériques.
Annexe à rendre avec la copie
NOM :
Exercice de chimie
2 Cu2+(aq)
EI
x=0
E intermédiaire x
EF
xf = xmax
n1
n1 - 2x
n1 – 2xmax
Lame de
cuivre
+
4 I-(aq)
Excès
Excès
excès
=
2 CuI(s)
0
2x
2xmax
Pièce de
cuivre à
recouvrir
Solution de sulfate
de cuivre
Figure 1
Solution de sulfate de
cuivre de concentration c1
Figure 2
Solution de sulfate de
cuivre de concentration c2
+
I2(aq)
0
x
xmax