Chapitre 18 Chap. 9 du livre FORCER L’EVOLUTION D’UN SYSTEME FEUILLE DE ROUTE T spe PC Sommaire Ressources ❏ Feuille de route ❏ Synthèse du cours ❏ Activité 1 : réaliser une pile ❏ Activité 2 : fonctionnement d’un simulateur cardiaque ❏ Activité 3 : transformation spontanée et forcée ❏ Activité 4 : protection de l’acier ❏ vidéo du cours : ❏ vidéo Hachette lien p178 ❏ qcm Hachette lien p179 J’ai du mal ? ❏ qcm p179 ❏ Ex. 1 p180 ❏ Ex. 2 p181 ❏ Ex. 3* ❏ Ex. 5* ❏ Ex. 7* S’entraîner – p179 à 188 Les numéros d’exercices sur fond blanc sont corrigés à la fin du livre (p462 et plus). ❏ Ex. 11 ❏ Ex. 12* ❏ Ex. 15 ❏ Ex. 16* Je réussi ? ❏ Ex. 14 Comprendre et mémoriser Se tester avant le DS ❏ Ranger tous les documents du chapitre en suivant l’ordre du sommaire ❏ Lire le cours dans le livre p 176-178 ❏ Si besoin, regarder activement une vidéo de cours ❏ Réaliser une fiche résumé du cours ou une carte mentale ❏ Faire un maximum d’exercices ❏ S’entraîner sur des annales du bac sur Labolycee.org ❏ Ex. 17 ❏ Ex. 18
T spe – PC – Chapitre 17 – cours Page 1 Chapitre 17 Chap. 8 du livre EVOLUTION FORCEE D’UN SYSTEME CHIMIQUE COURS T Spé PC Source : le Livre Scolaire, Terminale 1. Principe d’une pile 1.1. Les réactions d’oxydoréduction 1.2. La pile électrochimique
T spe – PC – Chapitre 17 – cours Page 2
T spe – PC – Chapitre 17 – cours Page 3 2. Electrolyse
T spe – PC – Chapitre 17 – cours Page 4 3. Bilan de matière
T spe – PC – Chapitre 17 – cours Page 5 4. Stockage et conversion d’énergie
T spe – PC – Chapitre 17 – cours Page 6 5. Exercice corrigé
T spe – PC – Chapitre 18 – activité 1 Page 1 Chapitre 18 REALISER UNE PILE ACTIVITE T Spé PC 1 Contexte De nombreux objets du quotidien utilisent de l’énergie électrique et donc des piles. Une pile est une source d’énergie autonome. C’est un dispositif permettant une circulation d’électrons dans un circuit. Une pile (ou générateur électrochimique) convertit une partie de l’énergie chimique en énergie électrique. Quel est le principe de fonctionnement d’une pile ? Documents Document 1 Capacité d’une pile Document 2 Données • Les ions cuivre (II) Cu2+(aq) donnent une coloration bleue à la solution qui les contient. • Couples oxydant / réducteur Cu(s) /Cu2+(aq) ; Zn(s)/ Zn2+(aq) • Masse molaire : M(Cu)=63,5 g⋅mol-1 M(Zn)=65,4 g⋅mol-1 Document 3 Multimètre Mesure d’une tension Mesure d’une intensité Pour mesurer une tension, on utilise un voltmètre, en mode DC pour des mesures en courant continu. Il faut faire coïncider : • la borne « V » avec la pointe de la flèche • la borne « COM » avec la base de la flèche. Exemple : pour mesurer la tension uDE dans le circuit cidessous, on branche le voltmètre : Pour mesurer une intensité, on utilise un ampèremètre, en mode DC pour des mesures en courant continu. Le courant affiché est celui qui rentre par la borne A et sort par la borne COM. Pour afficher une valeur positive, la borne COM du multimètre doit être branchée du côté de la borne moins du générateur. Exemples : L’ampèremètre affiche 30 mA. Le courant i1 qu’on souhaite mesurer rentre par A. Donc i1=30 mA. L’ampèremètre affiche -4A. Le courant i3 qu’on souhaite mesurer sort par A. Donc i3=4A. • Pour que la mesure soit la plus précise, il faut que le calibre du multimètre soit immédiatement supérieur à la valeur mesurée. • Si la valeur mesurée est supérieure au calibre utilisé, le multimètre affiche 1.
T spe – PC – Chapitre 18 – activité 1 Page 2 Travail à faire 1. Question préliminaire 1.1. Quel est le type de réactions faisant intervenir un transfert d’électrons ? 1.2. Donner deux exemples de couples ion métallique / métal ainsi que la demi-équation associée. 2. Etude d’une réaction spontanée Dans un bécher, verser 10,0 mL d’une solution S1 de sulfate de cuivre (II) telle que [Cu2+] = 1,0 × 10–1 mol·L–1 et 10,0 mL d’une solution S2 de sulfate de zinc (II) telle que [Zn2+] = 1,0 × 10–1 mol·L–1 . Plonger une lame de zinc Zn(s) décapée et une lame de cuivre Cu(s). Agiter puis filtrer la solution. Observer. 2.1. En déduire l’équation d’oxydoréduction modélisant à la transformation. 2.2. Justifier l’expression « transfert spontané d’électrons par contact direct entre réactifs ». 2.3. La constante d’équilibre associée à l’équation est 1037. Montrer que le sens d’évolution prévu est compatible avec les observations expérimentales. 3. Réalisation d’une pile zinc-cuivre Pour réaliser une pile, il faut que le transfert d’électrons d’un réducteur vers un oxydant ne s’effectue pas de manière directe mais par l’intermédiaire d’un circuit électrique. Une méthode consiste à séparer les 2 couples redox. • Bécher de 100 mL n°1 : environ 50 mL d’une solution de sulfate de cuivre (Cu2+(aq) + SO4 2- (aq)) à 0,1 mol.L-1 + plaque de cuivre décapée + pince crocodile. • Bécher de 100 mL n°2 : environ 50 mL d’une solution de sulfate de zinc (Zn2+(aq) + SO4 2- (aq)) à 0,1 mol.L-1 + plaque de zinc décapée + pince crocodile. Pour réaliser la continuité électrique c’est-à-dire fermer le circuit, on relie les 2 béchers par un pont salin. Il s’agit ici d’une bande de papier imbibée d’une solution ionique de chlorure de potassium. Réaliser la pile. Placer un voltmètre entre les deux plaques. Mesurer la tension. 3.1. Comment peut-on identifier les bornes positive et négative de cette pile ? Identifier les bornes positive et négative de cette pile. 3.2. Que vaut la tension à vide de cette pile ?
T spe – PC – Chapitre 18 – activité 1 Page 3 Remplacer le voltmètre par un ampèremètre en série avec une résistance. Mesurer la valeur du courant i. Inverser éventuellement les bornes pour obtenir une valeur positive. Noter le sens conventionnel du courant. 3.3. À l’aide du sens du courant, déterminer la nature de la réaction ayant lieu à chaque électrode. 3.4. Écrire l’équation d’oxydoréduction associée à la transformation ayant lieu lors du fonctionnement de la pile. 3.5. Calculer le quotient de réaction initial. 3.6. Justifier l’expression « transfert spontané d’électrons par l’intermédiaire d’un circuit extérieur. Retirer le pont salin. Noter vos observations. 3.7. Au fur et à mesure que la pile débite, que peut-on dire : • de la quantité d’ions Zn2+(aq) dans le bécher contenant la plaque de zinc. • de la quantité d’ions Cu2+(aq) dans le bécher contenant la plaque de cuivre. 3.8. Quelle est l’utilité du pont salin en plus d’assurer la continuité électrique ? 3.9. Faire les mesures permettant de déterminer la capacité de la pile, puis la calculer. 3.10.Bilan : faire un schéma : pile + résistance + ampèremètre. La pile sera représentée par le dessin des 2 béchers. Le bécher contenant la plaque de zinc sera placé à gauche. a) Indiquer le sens conventionnel du courant. b) Le sens de circulation des électrons. c) En déduire les réactions se produisant dans chaque bécher à l’interface plaque métallique-solution. d) Identifier la lame métallique dont la surface est le siège d’une oxydation et celle dont la surface est le siège d’une réduction. e) Noter l’équation de la transformation chimique globale qui a lieu dans la pile.
T spe – PC – Chapitre 18 – activité 2 Page 1 Chapitre 18 FONCTIONNEMENT D’UN STIMULATEUR CARDIAQUE ACTIVITE T Spé PC 2 Contexte John B.Goodenough, M.stanley Whittingham et Akira Yoshino ont reçu le prix Nobel de chimie 2019 pour leur rôle dans le développement des batteries utilisant notamment le lithium. Ces batteries sont présentes dans des téléphones portables, des véhicules électriques ou encore des stimulateurs cardiaques. Quels sont les avantages de l’utilisation de l’élément lithium dans les batteries ? Documents Document 1 Document 2 Cœur et simulateur cardiaque Travail à faire 1. À l’aide des données, justifier le caractère réducteur du lithium. 2. Déterminer l’équation de la réaction modélisant la transformation ayant lieu dans la pile lithium-iode. 3. Déterminer l’expression de la quantité de matière d’électrons échangés entre le diiode et le lithium en fonction de l’avancement à l’état final xf. 4. Calculer la capacité Qpile de la pile du stimulateur cardiaque. 5. Rappeler l’expression de l’intensité i du courant électrique, interprétée comme le débit de charges électriques traversant une section des fils électriques reliés au stimulateur cardiaque. 6. Exprimer puis calculer la durée de vie de la pile de capacité électrique Qpile, lorsqu’elle débite un courant d’intensité i. Discuter du résultat obtenu. 7. Expliquer pourquoi le lithium est plus intéressant que le sodium pour un stimulateur cardiaque. Qpil
T spe – PC – Chapitre 18 – activité 3 Page 1 Chapitre 18 TRANSFORMATION SPONTANEE ET FORCEE ACTIVITE T Spé PC 3 Si un oxydant et un réducteur réagissent lorsqu’ils sont mis en contact, on parle de transformation spontanée. Dans le sens inverse, la transformation n’est pas spontanée : elle doit être forcée. Comment inverser le sens d’évolution d’un système oxydant-réducteur ? Documents Document 1 Schéma de l’électrolyse Document 2 Données Couples d'oxydoréduction: Zn2+(aq)/Zn(s) et I2(aq)/I− (aq) Test de reconnaissance des ions Zn2+(aq) : précipité blanc en présence de soude Na+ (aq);HO− (aq) Constante d’équilibre de la réaction spontanée entre les deux couples d’oxydoréduction : K1=6×1046 Document 3 Aspect visuel des espèces chimiques Espèce chimique Aspect Zn2+ (aq) Incolore Zn (s) Métal gris I2 (aq) Jaune I - (aq) Incolore Document 4 Matériel nécessaire 2 Tubes à essai 1 Tube en U 2 électrodes de graphite 1 générateur fils de connexion 1 éprouvette graduée 100 mL 2 bechers 100 mL 1 entonnoir 1 papier filtre 1 spatule 1 agitateur + barreau aimanté 1 balance Poudre de zinc Zn(s) Solution de sulfate de zinc à [Zn2+]=1,0×10−2 mol·L-1 Solution d’eau iodée [I2 ]=1,0×10−3 mol·L-1 Solution d’iodure de potassium [I− ]=1,0×10−2 mol·L-1 Flacon test caractéristique de soude
T spe – PC – Chapitre 18 – activité 3 Page 2 Travail à faire 1. Toutes les réactions sont-elles spontanées ? Tester dans des tubes à essai les différentes réactions possibles pour les couples fournis dans le doc. 2 Réaliser si nécessaire des tests d’identification d’ion. 1.1. Déterminer expérimentalement le sens d’évolution spontanée entre les espèces des deux couples étudiés. Schématiser les expériences et les interpréter. 1.2. Écrire l’équation de la transformation spontanée observée. 1.3. Calculer le quotient de réaction à l’état initial Qr,i et montrer que le sens d’évolution trouvé correspond à celui prévisible théoriquement. 2. On souhaite savoir s’il est possible d’inverser la transformation spontanée, observée dans la question 1. Reproduire la même expérience spontanée qu’en 1. en utilisant un bécher de 100mL et en prenant un volume de solution de 80 mL, et une masse de 0,1g. Placer le bécher avec le mélange sur l’agitateur magnétique durant 2 min. Filtrer et récupérer la partie liquide dans une éprouvette graduée. Réaliser le montage correspondant au doc. 1 avec la solution filtrée durant 10 min. 2.1. Compléter le schéma en indiquant le déplacement des porteurs de charges (électrons et ions). 2.2. Interpréter les observations faites lors de l’électrolyse pour trouver les produits formés. 2.3. Écrire les demi-équations modélisant les réactions électrochimiques aux électrodes et en déduire l’équation de la réaction globale. Commenter le sens de cette réaction. 2.4. Préciser le type de réaction électrochimique qui a lieu à l’anode. 2.5. Calculer la constante d’équilibre K2 et Qr,i′ et commenter son évolution. 2.6. Justifier l'emploi des termes « transformations chimiques forcées ».
T spe – PC – Chapitre 18 – activité 4 Page 1 Chapitre 18 PROTECTION DE L’ACIER ACTIVITE T Spé PC 4 L’acier est un mélange de différents métaux, dont le fer, qui réagit facilement avec le dioxygène présent dans l’eau et l’air. Pourtant, beaucoup de pièces en acier composent l’équipement des bateaux. Comment protéger le fer de la corrosion grâce au zinc ? Documents Document 1Principe de l’électrozingage Par électrolyse, une fine couche de zinc est formée sur la pièce à protéger en acier. Le fer contenu dans l’acier ne subit pas de transformation lors de l’électrozingage. L’électrolyte est constitué d’une solution aqueuse de sulfate de zinc. Lors de l’électrolyse, la charge électrique est liée à la quantité d’électrons échangés Q = I⋅Δt=ne⋅F Document 2Données • Couples d’oxydoréduction : Fe2+(aq)/Fe(s) et Zn2+(aq)/Zn(s) • Caractéristiques du zinc : M(Zn)=65,4 g·mol-1 et ρ=7,1 g·cm-3 • Constante de Faraday : F=96 500 C·mol-1 Document 3Protocole • Décaper la plaque de fer à l’aide d’une paille de fer. • Peser précisément les deux plaques. • Réaliser le montage d’électrolyse. • Régler l’intensité I du courant à une valeur comprise entre 0,50 et 0,70 A. • Réaliser l’électrolyse pendant Δt=15 min exactement en maintenant le courant constant et en agitant constamment. • Au bout de 15 min, arrêter l’électrolyse. • Observer la plaque de fer, la sécher et la peser. • Sécher et peser la plaque de zinc. Document 4Matériel nécessaire Générateur réglable Bécher haut Fils et pinces crocodiles Agitateur magnétique et turbulent Chronomètre Balance de précision au centième de gramme Ampèremètre Plaque de zinc Plaque de fer Solution de sulfate de zinc 0,25 mol/L Travail à faire 1. A l’aide du doc.1, écrire les demi-équations des deux couples d’oxydoréduction mis en jeu. 2. Préciser dans quel sens se produisent les réactions aux électrodes. 3. En déduire quel métal joue le rôle d’anode dans cette électrolyse. 4. Après avoir réalisé l’expérience, compléter le schéma avec les réactions aux électrodes. 5. Déterminer la variation de masse des électrodes à partir des pesées. 6. Calculer la valeur théorique de la variation de masse précédente. Commenter. 7. On parle ici d’anode sacrificielle pour qualifier le zinc. Proposer une explication.