Physique-Chimie Terminale Spécialité

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Préparation aux épreuves du Bac

1. Constitution et transformations de la matière

Composition et évolution d'un système

Ouverture de thème p. 16-17

Ch. 1

Modélisation des transformations acide-base

Ch. 2

Analyse physique d'un système chimique

Ch. 3

Méthode de suivi d'un titrage

Ch. 4

Évolution temporelle d'une transformation chimique

Ch. 5

Évolution temporelle d'une transformation nucléaire

BAC

Thème 1

Prévision et stratégie en chimie

Ouverture de thème p. 146-147

Ch. 6

Évolution spontanée d'un système chimique

Ch. 7

Équilibres acide-base

Ch. 8

Transformations chimiques forcées

Ch. 9

Structure et optimisation en chimie organique

Ch. 10

Stratégies de synthèse

BAC

Thème 1 bis

2. Mouvement et interactions

Ouverture de thème

p. 290-291

Ch. 11

Description d'un mouvement

Ch. 12

Mouvement dans un champ uniforme

Ch. 13

Mouvement dans un champ de gravitation

Ch. 14

Modélisation de l'écoulement d'un fluide

BAC

Thème 2

3. Conversions et transferts d'énergie

Ouverture de thème

p. 402-403

Ch. 15

Étude d’un système thermodynamique

Ch. 16

Bilans d'énergie thermique

BAC

Thème 3

4. Ondes et signaux

Ouverture de thème

p. 462-463

Ch. 17

Propagation des ondes

Ch. 18

Interférences et diffraction

Ch. 19

Lunette astronomique

Ch. 20

Effet photoélectrique et enjeux énergétiques

Ch. 21

Évolutions temporelles dans un circuit capacitif

BAC

Thème 4

Annexes

Ch. 22

Méthode

Thème 1

Sujet Bac corrigé 1

Pile à combustible au méthanol

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Énoncé

Parmi les piles à combustible, ou PAC, la plus connue est celle à hydrogène. Mais depuis quelque temps, d'autres combustibles sont développés comme le méthanol. On s'intéresse dans ce sujet au fonctionnement d'une pile à combustible au méthanol direct.

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Doc. 1
Pile au méthanol

Une pile à combustible au méthanol direct utilise du méthanol liquide

CH_{4} O (l)

en tant que réducteur et du dioxygène

O_{2} (g)

comme oxydant. Plusieurs éléments d'une PAC conditionnent son fonctionnement :

l'électrolyte (membrane en polymère) ;
les électrodes (en graphite ou en métal) ;
un catalyseur (à l'anode et à la cathode à base de platine).

Les piles obtenues sont peu puissantes, mais d'une autonomie intéressante, pouvant être utilisées pour des appareils portables (téléphones, ordinateurs, etc.) fonctionnant à des températures basses.

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Crédits : Steger Volker/SPL

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Doc. 2
Disposition des éléments

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Doc. 3
Demi-équation du méthanol

L'électrode où s'oxyde le méthanol fonctionne aussi avec de l'eau. La demi-équation à cette électrode s'écrit :

CH_{4} O (aq) + H_{2} O (l) \to CO_{2} (g) + 6 H^{+} (aq) + 6 e^{-}

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Doc. 4
Schéma d'une pile au méthanol

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Données

Formule brute du méthanol : $CH_{4} O$
Couples d'oxydoréduction : $CO_{2} (g) / CH_{4} O (l)$ et $O_{2} (g) / H_{2} O(l)$
Masse volumique du méthanol : $ρ = 0, 80$ g·cm^-3
Masse molaire du méthanol : $M = 32$ g·mol^-1
Constante de Faraday : $F = 96500$ C·mol^-1

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Questions

1.1. Écrire la demi-équation se produisant sur la deuxième électrode du .

1.2. En déduire le signe des pôles de la pile ainsi formée et indiquer le sens de circulation des électrons à l'extérieur de la pile en reproduisant une partie du schéma du .

1.3. Identifier l'anode et la cathode à la place des électrodes 1 et 2.

1.4. Écrire l'équation de la réaction chimique de fonctionnement de la pile.

1.5. Montrer que la capacité électrique

Q_{max}

de la pile, possédant une cartouche de 15,0 mL de méthanol, est d'environ

2, 2 \times 1 0^{5}

C.

1.6. Le rendement de cette pile est de

η = 85

%, c'est-à-dire que la charge réellement utilisable correspond à

Q_{max}^{'} = η \cdot Q_{max}

. Calculer sa durée d'utilisation si elle doit débiter un courant d'intensité 12 A en permanence.

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Solution rédigée

1.1. La demi-équation pour l'électrode 2 correspond au couple

O_{2} (g)

H_{2} O (l)

O_{2} (g) + 4 H^{+} (aq) + 4 e^{-} \to 2 H_{2} O (l)

1.2. À l'électrode 1, il y a production d'électrons qui sortent de la pile par le pôle négatif. À l'électrode 2, il y a consommation d'électrons, donc il s'agit de la borne positive. Les électrons à l'extérieur de la pile circulent du pôle négatif vers le pôle positif.

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Crédits : lelivrescolaire.fr

1.3. À l'électrode 1, il y a une oxydation : il s'agit donc de l'anode. À l'électrode 2, la réaction est une réduction, l'électrode correspondante est donc la cathode.

1.4. En reprenant les demi-équations des deux électrodes et en s'assurant que le nombre d'électrons échangés est identique, cela donne :

2 CH_{4} O (aq) + 3 O_{2} (g) \to 2 CO_{2} (g) + 4 H_{2} O (l)

1.5. La masse volumique du méthanol est égale à

ρ = 0, 80

g·mL^-1.
Ainsi, la masse

m

de méthanol disponible est égale à :

m = ρ \cdot V

AN :

m = 0, 80 \times 15, 0 = 12

g
La quantité de matière

n

correspondante est égale à :

n = \frac{m}{M}

AN :

n = 12 = 0, 38

mol

Or, à l'anode, la demi‑équation est :

CH_{4} O(l) + H_{2} O(l) \to CO_{2} (g) + 6 H^{+} (aq) + 6 e^{-}

La quantité de matière d'électrons ne correspondante est égale à :

n_{e} = 6 n

AN :

n_{e} = 6 \times 0, 38 = 2, 3

mol

La charge électrique maximale débitée est alors :

Q_{max} = n_{e} \cdot F

AN :

Q_{max} = 2, 3 \times 96500 = 2, 2 \times 1 0^{5}

C

La valeur proposée est bien vérifiée.

1.6. Pour une pile, la charge électrique maximale

Q_{max}

débitée est liée à la durée d'utilisation

Δ t

et à l'intensité

I

Q_{max}^{'} = I \cdot Δ t

Δ t = \frac{Q _{max} ^{'}}{I}

Δ t = \frac{η \cdot Q _{max}}{I}

AN :

Δ t = \frac{0 , 8 5 \times 2 , 2 \times 1 0 ^{5}}{1 2} = 1, 6 \times 1 0^{4}

Δ t =

4 h 30 min

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