Pile cuivre‑aluminium
✔ REA : Utiliser un modèle
✔ COM : Rédiger correctement une résolution d’exercice
D’après le sujet Bac S, Antilles, 2004.
Une pile est composée de deux demi‑piles reliées par un
papier filtre imbibé d’une solution de chlorure de potassium
(K+(aq);Cl−(aq)). La première demi‑pile est constituée d’une lame d’aluminium de masse
m1=1,0 g qui plonge dans
50 mL de solution de sulfate d’aluminium
(2 Al3+(aq) ; 3 SO42−(aq)) de concentration en ion aluminium
Al3+(aq) égale à
[Al3+]=5,0×10−1 mol⋅L
-1.
La seconde est constituée d’une lame de cuivre de masse
m2=8,9 g qui plonge dans
50 mL de solution de sulfate de cuivre
(Cu2+(aq) ; SO42−(aq)) de concentration en ion
cuivre
Cu2+(aq) égale à
[Cu2+]=5,0×10−1 mol⋅L
-1. Un
ampèremètre indique qu’à l’extérieur de la pile, le courant
circule de la plaque de cuivre vers la plaque d’aluminium.
1. Rappeler le rôle du papier filtre.
2. Préciser le sens de déplacement des électrons.
3. Indiquer quelle lame est l’anode.
4. Réaliser le schéma annoté de la pile.
L’équation de fonctionnement de la pile est :
3 Cu2+(aq)+2 Al(s)⇄3 Cu(s)+2 Al3+(aq)
5. Écrire les demi‑équations d’oxydoréduction à chaque électrode.
La constante d’équilibre associée à l’équation précédente
est
K=10200.
6. a. Exprimer puis calculer la valeur du quotient de réaction
Qr,i à l’état initial.
b. Conclure quant à la cohérence du sens d’évolution
attendu.
7. Faire le bilan des quantités de matière du système chimique à l’état initial.
8. Établir le tableau d’avancement de la réaction de manière littérale.
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Avancement |
|
+ |
|
→ |
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+ |
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État initial |
x=0 mol |
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État intermédiaire |
x |
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État final |
xmax |
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9. En déduire la valeur de l’avancement maximal
xmax.
10. Calculer la capacité électrique que peut débiter cette pile.
- Constante de Faraday : F=9,65×104 C⋅mol-1
- Masses molaires atomiques : M(Al)=27,0 g⋅mol–1 et M(Cu)=63,5 g⋅mol–1
- Couples d’oxydoréduction : Cu2+(aq)/Cu(s) et Al3+(aq)/Al(s)