Aurélie 15/02/07
 

enseignement, concours, caplp interne 2006 : pile et oxydoréduction

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Un réducteur est une espèce susceptible de donner un ou plusieurs électron(s).

red = Ox + n e-. par exemple : Al = Al3+ + 3e-. oxydation de l'aluminium

Un oxydant est une espèce susceptible de capter un ou plusieurs électron(s).

MnO4- + 8H+ + 5e- = Mn2+ + 4H2O réduction de l'ion permanganate

Un couple oxydant réducteur noté ox / red est l'ensemble d'un réducteur et d'un oxydant tels que : red = ox + n e-

Lorsque l’on plonge une lame de métal M dans une solution aqueuse contenant des ions Mn+, un échange d'électrons se produit entre le métal M et les ions Mn+ en solution : on constate que la lame se trouve portée à un certain potentiel électrique.

On s’intéresse au système constitué par une lame de zinc Zn plongé dans une solution aqueuse de sulfate de zinc ZnSO4 de concentration c en mol.L-1.

Pour déterminer le potentiel pris par la lame de zinc, on réalise le montage ci-dessous :

Demi-équation redox correspondant au couple oxydant/réducteur du zinc : Zn = Zn2+ + 2e-.

Rôle du pont salin ( papier imprègné KCl): assure la continuité électrique ; permet aux solutions de rester électriquement neutre.

Une électrode de référence garde un potentiel électrique constant, pour une température donnée.
Constitution de l’électrode normale à hydrogène : son potentiel vaut 0 V
L’utilisation de l’électrode normale à hydrogène est délicate, aussi utilise-t-on plus couramment une électrode au calomel. C’est une demi pile dont le schéma représentatif est : Hg / Hg2Cl2 (s) / Cl-.

Demi équation redox correspondant à cette demi pile : Hg2Cl2 (s) + 2e- = 2Hg(liquide) + 2Cl-.

Dans cette électrode, on utilise une solution aqueuse de KCl saturée afin que [Cl-]= constante.
La valeur de la force électromotrice e de la pile ainsi constituée est e = 1,185 V.

La valeur du potentiel de l’électrode au calomel, dans les conditions de l’expérience, est E0 = 0,245 V.

Valeur EZn du potentiel redox du couple du zinc dans les conditions de l’expérience

e = E0 -EZn soit EZn =E0 -e = 0,245-1,185 = -0,94 V

Or EZn =E°(Zn2+/Zn )+ 0,06/2 ln[Zn2+] avec E°(Zn2+/Zn ) = -0,76 V

d'où la concentration c de la solution aqueuse de sulfate de zinc :

ln[Zn2+] =(-0,94+0,76)/0,03 = -6 ; c = [Zn2+] =1,0 10-6 mol/L.

On fait débiter la pile pendant 6 heures ; l’intensité du courant électrique est I = 200 mA, considérée constante.

Quantité d’électricité Q échangée : Q=It= 0,2*6*3600 = 4320 C

Nombre de moles d’électrons qui ont quitté la plaque de zinc : 4320/96500 = 0,0447 ( 0,045 mol)

n(Zn) = ½n(électrons) soit : 0,0224 mol de zinc

Perte de masse de cette plaque : m= n M zinc = 0,0224*65,4 = 1,5 g.

La solution aqueuse de sulfate de zinc a un volume V = 0,5 L.

Quantité de matière d'ion zinc formé : 0,0224 mol d'où :[Zn2+]=0,0224/0,5 = 0,045 mol/L

Valeur de la f. e. m. de la pile après les 6 heures de fonctionnement :

EZn =E°(Zn2+/Zn )+ 0,06/2 ln[Zn2+] = -0,76 + 0,03 log 0,045 = -0,80 V

e = E0 -EZn = 0,245-(-0,80)=1,04 V.
 
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