Exercice 3 – Une pile au citron (4 points)

Exercice 3 – Une pile au citron (4 points)
Données : Les trombones du commerce sont recouverts de zinc
couples oxydant / réducteur : Zn2+(aq) / Zn(s) ; H+(aq) / H2(g)
Il est possible d’alimenter une horloge de voyage avec un citron. Pour ce faire, il
suffit de planter dans l’intérieur d’un demi-citron un trombone du commerce et
une pièce de cuivre. Une partie de chacun des deux métaux introduits dans la
chair du citron doit rester dans l’air sans être en contact l’un avec l’autre.
1/ On mesure la force électromotrice de la pile au citron réalisée en branchant aux
bornes du trombone et de la pièce un voltmètre qui indique une valeur positive
lorsque la borne « COM » est reliée au trombone.
a) Faire le schéma annoté du dispositif de mesure de la force électromotrice de la
pile au citron.
b) Déterminer la polarité de la pile en justifiant la réponse.
c) Écrire la demi-équation redox se produisant à l’électrode « trombone » lorsque
la pile fonctionne. Est-ce une oxydation ou une réduction ?
2/ Lorsque la pile est en fonctionnement et alimente l’horloge, une effervescence
se produit au niveau de la pièce ancienne. L’analyse du gaz formé permet de
l’identifier, il s’agit de dihydrogène.
a) Écrire la demi-équation redox se produisant à l’électrode « pièce de cuivre »
lorsque la pile fonctionne. Nommer l’électrode où se produit cette réaction.
b) D’où proviennent les ions H+(aq) présents dans les réactifs ?
c) Écrire l’équation de fonctionnement de la pile.
3/ Expliquer comment obtenir une pile dont la fem est deux fois plus importante.
Exercice 4 – Fonctionnement de la pile cuivre-aluminium (6 points)
Données :
Masse molaire de l’aluminium: 27,0 g.mol–1
Masse molaire du cuivre : 63,5 g.mol–1
On réalise une pile cuivre - aluminium en reliant par un pont salin deux demi-piles :
– L’une d’elles est constituée d’un bécher contenant 100 mL d’une solution de
chlorure d’aluminium (AI3+ + 3 Cl–) de concentration en soluté apporté 0,50 mol.L–
1 dans laquelle plonge une lame d’aluminium de 10 g.
– L’autre demi-pile comprend un volume de 100 mL d’une solution de sulfate de
cuivre (Cu2+ + SO42–) de concentration molaire en soluté apporté 0,50 mol.L –1
dans laquelle plonge une lame de cuivre de 10 g.
On relie un conducteur ohmique et un ampèremètre en série à cette pile.
L’ampèremètre indique la valeur I = + 150 A lorsque la borne « A » de celui-ci est
reliée à la lame de cuivre.
1/ Justifier le rôle du pont salin.
2/ Faire un schéma légendé de la pile et du circuit extérieur. Indiquer le sens du
courant et celui des électrons dans le circuit. Représenter le déplacement des
cations métalliques à l’intérieur des demi-piles.
3/ Écrire et nommer les réactions se produisant aux électrodes.
4/ En déduire l’équation de fonctionnement de la pile.
5/ Déterminer les quantités de matière initiales des réactifs.
6/ Compléter le tableau d’avancement ci-dessous :
……… + ……… → ……… + ………
Équation
Avancement
(mol)
État initial
x=0
En cours de
réaction
x
État final
xmax
Quantités de matière (mol)
7/ Sachant que la pile s’arrête de fonctionner lorsque l’un des réactifs est
entièrement consommé, donner les masses des deux électrodes à la fin de la
réaction.