Aurélie 08/04/09
 

 

Pile, électrolyse, transformations inversables concours kiné Ceerrf 2009.

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On relie par un pont ionique les solutions de deux demi-piles constituées par les couples Cu2+aq/Cu(s) et Ni2+aq/Ni(s).

On considère la transformation modélisée par l'équation :

Ni(s) + Cu2+aq = Cu(s) + Ni2+aq de constante d'équilibre K = 2 1019.

Les solutions utilisées ont toutes deux les concentrations de 0,10 mol/L en ions Cu2+aq et Cu2+aq et un volume V = 200 mL dans chaque compartiment.

Exprimer puis calculer le quotient de réaction initial Qr i relatif à l'équation écrite précédemment.

Qr i =[Ni2+aq]i / [Cu2+aq]i = 0,10 / 0,10 = 1.

Dans quel sens va évoluer le système si on relie les plaques métalliques par un conducteur ohmique ? Justifier.

Qr i < K, donc évolution dans le sens direct.

On fait débiter par la pile ainsi obtenue, un courant d'intensité I= 20 mA pendant 10 heures.

Quel est l'avancement de la réaction au bout de cette durée ? Aide au calcul : 72/193 = 0,37.

 Quantité d'électricité : Q = I t = 0,02 * 10*3600 = 720 C

Quantité de matière d'électrons n(e-) = Q / 96500 = 720 / 96500 = 72 / 9650 mol

Or Cu2+aq + 2e- = Cu(s) d'où la quantité de matière de cuivre :

n(Cu(s) = ½n(e-) = 72/( 2*96,5*100) = 72 / 193 10-2 = 3,7 10-3 mol.

L'avancement est égal à la quantité de matière de cuivre formé : x = 3,7 10-3 mol.


Calculer les concentrations [Ni2+aq] et [Cu2+aq] dans chaque demi-pile à la fin de l'expérience.


avancement (mol)
Cu2+aq
+Ni(s)
=Ni2+aq
+Cu(s)
initial
0
0,02
en grand excès
0,02
n
en cours
x
0,02-x
0,02+x
n+x
fin
xf
0,02-xf =

0,02-3,7 10-3

=0,0163

0,02+xf

= 0,0237

n+xf

[Cu2+aq]f = 0,0163 / 0,2 =0,0815 mol/L ~ 0,082 mol/L ; [Ni2+aq]f = 0,0237 / 0,2 =0,1185 mol/L ~ 0,12 mol/L.

Calculer le quotient de réaction final Q r 10 et le comparer à Q r i et K. Faire un commentaire sur l'état d'évolution du système.

Qr 10 =[Ni2+aq]f / [Cu2+aq]f = 0,1185 / 0,0815 =1,45 ~ 1,5.

Valeur supérieure à Qr i mais inférieur à K : le système va encore évoluer dans le sens direct tant que le circuit extérieur sera fermé.





Au bout de ces 10 heures de fonctionnement on veut réaliser la transformation inverse de celle qui a été effectuée ci-dessus.

Ecrire son équation.

Cu(s) + Ni2+aq = Ni(s) + Cu2+aq de constante d'équilibre 1/ K = 1/ 2 1019 =5 10-20.

Faire un schéma légendé du montage en précisant la nature des pôles de chaque dipôle.

 




 


On fait circuler un courant d'intensité 0,40 A pendant 30 min.

Calculer la nouvelle valeur du quotient de réaction Qr associé à l'équation écrite dans l'énoncé au bout de ces trente minutes. Comparer Qr à Qr i et à K. Faire un commentaire sur l'évolution du système.

 Quantité d'électricité : Q = I t = 0,4 1800 = 720 C

Quantité de matière d'électrons n(e-) = Q / 96500 = 720 / 96500 = 72 / 9650 mol

Or Cu(s) = Cu2+aq + 2e- d'où la quantité de matière d'ion Cu2+aq:

n(Cu2+aq) = ½n(e-) = 72/( 2*96,5*100) = 72 / 193 10-2 = 3,7 10-3 mol.

L'avancement est égal à la quantité de matière de Cu2+aq formé : x = 3,7 10-3 mol.


avancement (mol)
Ni2+aq
+Cu(s)
=Ni(s)
+Cu2+aq
initial
0
0,0237


0,0163
en cours
x
0,0237-x



0,0163+x
fin
xf
0,0237-xf =

0,0237-3,7 10-3

=0,02


 

0,0163+xf =

0,0163+3,7 10-3

= 0,02

[Ni2+aq] =[Cu2+aq] = 0,02/0,2 = 0,10 mol/L

Pour la transformation :

Ni(s) + Cu2+aq = Cu(s) + Ni2+aq

Qr =[Ni2+aq] / [Cu2+aq] = 0,10 / 0,10 = 1.

On retrouve la valeur du quotient de réaction initial, valeur très inférieur à K.

Si on branche le système au bornes d'un résistor, le système ( une pile ) évolue en sens direct.

Si on branche le système au bornes d'un générateur, le système ( un récepteur) évolue dans le sens indirect.

Quel phénomène a t-on observé dans cette dernière expérience ?

 Une transformation chimique inversable :

- d'abord une transformation spontanée

- puis une réaction forcée ( électrolyse) en sens inverse, rendue possible par apport d'énergie électrique





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