65 [ mustapha erreghyouy ]

الرغيوي مصطفى
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Exercices corrigés : étude des piles

Exercices résolus Etude des piles : 2 BAC BIOF.

Sciences physiques, SVT et sciences mathématiques

Série d'exercices :Transformations spontanées et production d'énergie dans les piles - étude des piles électrochimiques.

Exercice  corrigé 1 - Etude de la pile Aluminium-Zinc

Le fonctionnement des piles est basé sur la conversion d'une partie de l'énergie chimique en énergie électrique. Cet exercice se propose d'étudier le principe de fonctionnement de la pile aluminium-zinc.

Cette pile est constituée des éléments suivants :

Un bécher contenant une solution aqueuse de sulfate d’aluminium 2Al3+(aq) +3SO42-(aq) de volume V1 =0,15L et de concentration effective initiale en ions Al3+ :  [Al3+(aq)]i =10-1mol.L-1 ;

Un bécher contenant une solution aqueuse de sulfate de zinc  Zn2+(aq) +SO42-(aq) de volume V2=0,15L et de concentration effective initiale en ions Zn2+ :  [Zn2+(aq)]i =10-1mol.L-1 ;

Une plaque d’aluminium ; une plaque de zinc et un pont salin.

Lorsqu’on monte en série, entre les pôles de la pile, un ampèremètre et un conducteur ohmique, un courant électrique, d’intensité considérée constante I=0,2A, circule dans le circuit .(la figure 1).

Donnée : 1F=96500C.mol-1 .

2021-02i16132294072015131622.png Figure 1

  1. Représenter le schéma conventionnel de cette pile.
  2. Préciser la polarité de la pile.
  3. Ecrire les équations aux électrodes ainsi que l’équation bilan lors du fonctionnement de la pile.
  4. Déterminer la concentration effective des ions Zn2+ après une durée Δt=30min de fonctionnement.

Eléments de réponse - Exercice 1 :

2021-02i16132205961389520066.png

Exercice corrigé 2 : Etude de la pile Argent-Chrome.

On se propose d’étudier une pile électrochimique, cette pile est constituée :

D’une électrode en chrome (Cr) plongée dans une solution aqueuse de nitrate de chrome (III) Cr3+(aq) +3NO3-(aq) ;

D’une électrode en argent (Ag) plongée dans une solution aqueuse de nitrate d’argent Ag+(aq) + NO3-(aq) ;

D’un pont salin qui relie les deux solutions.

On branche un conducteur ohmique en série avec un ampèremètre, et on place le dipôle, ainsi constitué, entre les pôles de la pile (la figure 2).

L’ampèremètre indique le passage d’un courant électrique, d’intensité constante, dans le circuit.

Après due durée t de fonctionnement de la pile, on observe un dépôt sur l’électrode d’argent et une diminution de la masse de l’électrode de chrome.

2021-02i16132295381848596224.png

Figure 2

Données : Masse molaire du chrome : M(Cr)=52g.mol-1 et 1F=96500C.mol-1 .

  1. Préciser l’anode de la pile. Justifier.
  2. Représenter le schéma conventionnel de la pile.
  3. Ecrire les équations aux électrodes ainsi que l’équation bilan lors du fonctionnement de la pile.
  4. Sachant que la quantité d’électricité débitée par la pile pendant la durée Δt est Q=5,79C, déterminer la variation Δm de la masse de l’électrode de chrome.

Eléments de réponse - Exercice 2:

2021-02i16132206511910362944.png

Exercice corrigé 3 : Etude de la Pile Diiode-zinc.

On étudie la pile diiode-zinc qui fait intervenir les deux couples ox/red : Zn2+(aq) / Zn et I2(aq) /I-(aq).

On la constitue de deux compartiments liés par un pont salin (papier filtre imbibé d’une solution de chlorure de potassium K+(aq) + Cl-(aq) ).

Le premier compartiment est constitué d’une lame de zinc plongée dans un volume V=100mL d’une solution aqueuse de sulfate de zinc Zn2+(aq) +SO42-(aq) de concentration molaire initiale [Zn2+(aq)]i =C0=10-1mol.L-1  .Le deuxième compartiment est constitué d’une lame de platine (Pt) plongée dans un volume V=100mL d’un mélange (S) contenant une solution de diiode I2(aq) et une solution d’iodure de potassium K+(aq) + I-(aq) dont les concentrations molaires initiales dans (S) sont : [I2(aq)]i = C1=0,10 mol.L-1 et [I-(aq)]i=C2=5,0.10-2mol.L-1.

La partie immergée de la lame de zinc est en excès et lorsque la pile fonctionne l’électrode de platine ne subit aucune réaction.

Données :

Le faraday : 1F=96500C.mol-1 .

La constante d’équilibre associée à l’équation de la réaction :2021-02i16132296491536026257.png est K=1046 à 25°C .

On monte en série avec la pile un conducteur ohmique (D), un ampèremètre (A) et un interrupteur (k).

A un instant de date t0,on ferme le circuit, l’ampèremètre indique alors le passage d’un courant électrique d’intensité considérée constante I0=70mA.

  1. Indiquer en justifiant le sens d’évolution spontanée du système chimique.
  2.  Ecrire l’équation de la réaction qui se produit au niveau de la cathode.
  3. On laisse fonctionner la pile pendant la durée Δt =t-t0 . Pour déterminer la quantité de matière de diiode consommée pendant cette durée, on dose le diiode restant dans le deuxième compartiment de la pile avec un solution incolore de thiosulfate de sodium 2Na+(aq) +S2O32-(aq) de concentration molaire en soluté apporté C=0,3mol.L-1. Le volume de la solution de thiosulfate de sodium versé à l’équivalence est VE=20,0mL. L’équation modélisant la réaction du dosage s’écrit : 2021-02i16132261311141838152.png Montrer que la quantité de matière nc(I2) de diiode consommé lors du fonctionnement de la pile est : nc(I2)=7mmol.
  4. Trouver l’expression de la durée Δt=t-t0 de fonctionnement de la pile en fonction de I0,F et nc(I2). Calculer sa valeur.
  5. Calculer la concentration molaire des ions zinc dans le premier compartiment juste après la durée Δt de fonctionnement de la pile.

Eléments de réponse - Exercice 3 :

2021-02i1613303852302284534.png

L'article a été mis à jour le : Mai ,01 2021