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TERMspé.  Quotient de réaction et constante d'équilibre. Critère d'évolution spontanée.

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PILE ÉLECTROCHIMIQUE ½ piles Pont salin Polarité DANIELL Exo Tle Bac (tit erreur signalée en coms 🙄)

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Tle spécialité - Livre élève Physique-Chimie (site élève) - Hachette Education Lycée

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Toutes les ressources élèves du manuel de Terminale de Physique-Chimie d'Hachette Education. Un espace dédié aux élèves, idéal pour travailler en classe ou à la maison.

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Comment faire un TABLEAU d'AVANCEMENT✅ et trouver le réactif limitant ? | Chimie | Lycée

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Prévoir le sens d'évolution spontanée (piles) Cartes de révisions

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étude d’une pile au laboratoire             Bac Métropole Septembre 2021 Sujet 2

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étude d’une pile au laboratoire             Bac Métropole Septembre 2021 Sujet 2

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Bac Métropole Septembre 2021 Sujet 2
Exercice B - (5 points) - au choix du candidat - Durée 0h53 - Calculatrice autorisée
Sujet n° 21-PYCJ2ME3

Mots-clés : piles ; évolution d'un système
Chaque année en France, 1,3 milliard de piles sont vendues dans le commerce. Petits réservoirs d'énergie, elles constituent des objets indispensables au quotidien. L'objectif de cet exercice est d'étudier le fonctionnement d'une pile réalisée au laboratoire et de comparer sa capacité électrique à celle d'une pile AA vendue dans le commerce, photographiée ci-contre.
Données :
Photographie de piles AA de capacité 2800 mAh

Pour réaliser la pile étudiée, deux solutions aqueuses sont préparées : une de sulfate d'aluminium notée S, et une de sulfate de cuivre (Cu ²⁺(aq) ; SO ₄ ²⁻(aq)), notée S', toutes les deux sont à la concentration en soluté apporté de C = 0,100 mol·L⁻¹. Le sulfate d'aluminium est un solide de formule Aℓ ₂(SO ₄) ₃(s), disponible sous forme de poudre.

1. Rédiger le protocole expérimental précis à mettre en œuvre pour préparer 50,0 mL de la solution S à partir du sulfate d'aluminium en poudre.

2. Calculer les concentrations en quantité de matière en ions aluminium Aℓ ³⁺(aq) et en ion sulfate SO ₄ ²⁻(aq) dans la solution S.

La pile est assemblée selon le schéma de la figure 1 représenté ci-dessous :

Pour déterminer la polarité de la pile ainsi constituée, un voltmètre est relié aux deux plaques métalliques. La borne COM du voltmètre est reliée à la plaque d'aluminium. Dans ces conditions, la tension mesurée aux bornes de la pile vaut U = 0,92 V.

3. Déterminer le pôle positif de la pile à l'aide du montage expérimental de la figure 1.

Dans la suite de l'étude, le voltmètre est retiré puis est remplacé par un conducteur ohmique de résistance R.

4. Compléter le schéma fourni EN ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE en y indiquant la polarité de la pile, le sens du courant électrique et le sens de circulation des porteurs de charge dans la pile et à l'extérieur de la pile lors de son fonctionnement.

5. Établir les équations modélisant les réactions aux électrodes lors du fonctionnement de la pile. En déduire que l'équation de la réaction modélisant le fonctionnement de la pile s'écrit :

3Cu ²⁺(aq) + 2Aℓ(s) ⇌ 3Cu(s) + 2Aℓ ³⁺(aq)

La constante d'équilibre K associée à cette réaction a pour valeur K ≈ 10 ²⁰⁰, à 25 °C.

6. Montrer que la valeur initiale du quotient de réaction du système vaut Q r = 40. Conclure quant à l'évolution du système.

7. Capacité électrique de la pile.

7.1. Déterminer quel est le réactif limitant.

7.2. Déterminer la capacité électrique Q de la pile du laboratoire, puis la comparer aux piles commerciales de type " AA ".

8. Identifier un paramètre de la composition de la pile de laboratoire qu'il faudrait faire évoluer pour augmenter la capacité électrique de la pile, en précisant comment ce paramètre doit évoluer. Justifier.
ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE

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étude d'une pile au laboratoire physik.fr

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Protection des fondations en acier des éoliennes de mer                                Bac Amérique du nord 2021 Sujet 2

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Protection des fondations en acier des éoliennes de mer                                Bac Amérique du nord 2021 Sujet 2

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Bac Amérique du nord 2021 Sujet 2
Exercice A - (5 points) - au choix du candidat - Durée 0h53 - Calculatrice autorisée
Sujet n° 21-PYCJ2AN1
Mots-clés : quotient de réaction ; réaction d'oxydo-réduction ; fonctionnement d'une pile.
Un projet de parc éolien en mer, celui des îles d'Yeu et de Noirmoutier, prévoit l'installation de soixante-deux éoliennes.

La méthode de protection contre la corrosion des structures immergées de ces éoliennes a été débattue. La " protection cathodique " envisagée initialement consistait à placer des anodes dites

" sacrificielles ", composées essentiellement d'aluminium, sur les fondations en acier (95 % de fer) des éoliennes. En effet, la réaction des anodes sacrificielles avec le dioxygène dissous dans l'eau permet par transformation électrochimique de protéger le fer de la corrosion.

Finalement, après concertation, le constructeur du parc lui a préféré un système de protection dit " par courant imposé " qui permet d'éviter le rejet de métaux dans l'environnement.

A. Protection du fer par l'aluminium
Dans cet exercice, on s'intéresse seulement au processus de protection cathodique.

On souhaite vérifier qu'en milieu oxydant on peut protéger le fer de l'oxydation en le mettant en contact électrique avec de l'aluminium qui joue alors le rôle d'anode sacrificielle. Par oxydation, le fer métallique donne des ions Fe II (Fe ²⁺) et l'aluminium métallique donne des ions Aℓ ³⁺.

On réalise la pile suivante :

Dans un bécher, on verse un volume V ₁ = 50,0 mL de solution aqueuse de chlorure de fer II (Fe ²⁺(aq) + 2 Cℓ ⁻(aq)) de concentration apportée en quantité de matière C ₁ = 1,0 × 10⁻¹ mol·L⁻¹, puis on y plonge une plaque de fer.

Dans un second bécher, on verse un volume V ₂ = 50,0 mL d'une solution de sulfate d'aluminium (2 Aℓ ³⁺(aq) + 3 SO ₄ ²⁻ (aq)) de concentration apportée en quantité de matière C ₂ = 5,0 × 10⁻² mol.L⁻¹, puis on y plonge une plaque d'aluminium.

Les deux béchers sont reliés par un pont salin et les deux plaques métalliques sont reliées par un ampèremètre et une résistance montés en série.

L'équation de la réaction qui modélise la transformation susceptible de se produire s'écrit :

2 Aℓ(s) + 3 Fe ²⁺(aq) ⇄ 2 Aℓ ³⁺(aq) + 3 Fe(s)

La constante d'équilibre K associée à cette réaction à 25 °C est égale à 10 ¹⁶⁶.

A.1. Exprimer le quotient de réaction initial

Réponse :

et celle des ions Fe A.2. Calculer, à l'état initial, la valeur de la concentration en quantité de matière des ions Aℓ ³⁺(aq) ²⁺(aq).

Réponse :

A.3. Calculer la valeur du quotient de réaction initial puis en déduire le sens d'évolution spontanée de la transformation.

Réponse :

<K le sens d'évolution spontanée de la transformation est le sens direct.

A.4. En déduire la réaction se produisant à l'électrode d'aluminium.

Réponse :

L'équation de réaction est 2 Aℓ(s) + 3 Fe ²⁺(aq) ⇄ 2 Aℓ ³⁺(aq) + 3 Fe(s)

Les atomes d'aluminium se transforment donc en ion aluminium : Aℓ(s) = Aℓ ³⁺(aq) + 3 e ⁻

L'ampèremètre figurant sur le schéma indique une valeur d'intensité électrique négative.

A.5. Montrer que cette valeur négative est cohérente avec la réponse à la question précédente.

Réponse :

L'ampèremètre fournit une valeur positive lorsque la borne " com " est reliée à la borne négative de la pile.

Ici l'ampèremètre donne une valeur négative, la borne " com " est donc reliée à la borne positive de la pile.

Ainsi la borne positive est l'électrode de fer et la borne négative est l'électrode d'aluminium.

C'est cohérent avec la réponse de la question précédente car selon l'équation : Aℓ(s) = Aℓ ³⁺(aq) + 3 e ⁻

L'électrode Aluminium est donc le pole négatif de la pile (elle fournit des électrons).

L'anode est l'électrode siège d'une oxydation. La cathode est l'électrode siège d'une réduction.

A.6. Identifier l'électrode qui joue le rôle d'anode dans la pile.

Réponse :
B. Masse d'aluminium nécessaire à la protection de la structure métallique d'une éolienne
L'anode est le siège d'une oxydation (perte d'électrons), ainsi l'anode est l'électrode d'aluminium.

Le dioxygène dissous dans l'eau réagit préférentiellement avec l'aluminium de l'anode sacrificielle plutôt qu'avec le fer de la structure immergée de l'éolienne.

On souhaite évaluer la masse d'aluminium nécessaire à la protection de la structure d'une éolienne, c'est-à-dire à la protection cathodique.

Données :

Couples oxydant/réducteur mis en jeu : Aℓ³⁺(aq) / Aℓ (s) ; O₂(aq) / HO⁻(aq)

Constante de Faraday F = 96,5 × 10³ C·mol⁻¹

Constante d'Avogadro NA = 6,02 × 10²³ mol⁻¹

Charge élémentaire e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C

Masse molaire de l'aluminium MAℓ = 27,0 g·mol⁻¹

La capacité électrique Q d'une pile est reliée à l'intensité I du courant électrique débité et à la durée de fonctionnement ∆t par la relation : Q = I·∆t

B.1. Écrire l'équation de la réaction modélisant la transformation chimique de corrosion de l'aluminium par le dioxygène dissous.

Réponse :

L'étude théorique des transferts d'électrons entre l'anode en aluminium et la structure d'une éolienne montre qu'une protection efficace correspond à un courant électrique d'intensité I de l'ordre de 400 A.

B.2. En explicitant le raisonnement, calculer la masse d'aluminium nécessaire à la " protection cathodique " pendant une durée de 25 ans.

Réponse :

B.3. Citer au moins un argument expliquant que le constructeur ait finalement renoncé à la protection par anode sacrificielle.

Réponse :

La masse d'aluminium nécessaire est trop grande (29 tonnes). Son utilisation rejetterait une quantité de métaux importante dans la mer. De plus son cout n'est pas négligeable.

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Protection des fondations en acier des éoliennes de mer

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Protection des fondations en acier des éoliennes de mer physik.fr

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Des piles historiques                       Métropole 2022 Sujet 2

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Des piles historiques                       Métropole 2022 Sujet 2

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Métropole 2022 Sujet 2
Exercice C - (5 points) - au choix du candidat - Durée 0h53 - Calculatrice autorisée
Sujet n° 22-PYCJ2ME1

Mots-clés : fonctionnement d'une pile

Le physicien italien Alessandro Volta a créé la première pile en 1799 ; elle était formée d'un empilement de disques métalliques. Quarante ans plus tard, le chimiste anglais John Daniell propose un nouveau type de pile permettant de pallier certains défauts de la pile Volta. L'objectif de cet exercice est d'étudier le fonctionnement de ces deux piles.
1. Étude de la pile Volta
Une pile Volta est réalisée en empilant successivement des " cellules élémentaires " (Figure 1). Chaque cellule élémentaire est constituée d'une rondelle de cuivre, d'une rondelle de matériau absorbant imbibé de solution aqueuse contenant des ions et d'une rondelle de zinc (Figure 2).

Donnée :

couples oxydant / réducteur mis en jeu dans la pile Volta : Zn²⁺(aq) / Zn(s), H⁺(aq) / H₂(g).

Au laboratoire, on réalise une cellule élémentaire avec une rondelle de cuivre, une rondelle de feutre (sorte de tissu épais) imbibée d'une solution d'eau salée (les cations seront par la suite notés Å et les anions ) et une rondelle de zinc. Lorsque la cellule est reliée à un conducteur ohmique de résistance d'une dizaine d'ohms, on observe un dégagement gazeux. Pour la suite, on considère que le cuivre est inerte, c'est-à- dire qu'il ne subit pas de transformation chimique.

Q1. Justifier que l'équation modélisant la transformation chimique ayant lieu lorsque la cellule débite s'écrit :

Q2. En déduire quelle électrode, parmi celle en zinc et celle en cuivre, joue le rôle de cathode. Justifier.

Q3. Compléter le schéma EN ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE en indiquant les pôles de la cellule, le mouvement des électrons, le mouvement des cations Å et des anions dans la rondelle de feutre et le sens conventionnel du courant d'intensité I.

On mesure la tension U aux bornes de cette cellule élémentaire en reliant la borne " V " du voltmètre à l'électrode de cuivre et la borne " COM " à l'électrode de zinc. On lit U = 0,82 V.

Q4. Justifier la cohérence du signe de cette mesure avec les réponses données précédemment.

La tension délivrée par une cellule élémentaire étant trop faible pour certaines expériences, Volta a réalisé sa pile en associant plusieurs cellules élémentaires (Figure 3).

Au laboratoire, une reconstitution de cette superposition est réalisée à partir de plusieurs cellules élémentaires placées en série. Chaque cellule élémentaire est constituée d'une plaque de zinc et d'une plaque de cuivre plongeant dans un bécher contenant une centaine de millilitres d'eau salée.

On souhaite étudier l'évolution de la tension électrique délivrée par l'ensemble des cellules en fonction du nombre de cellules constituant le système. Ainsi, on réalise plusieurs mesures de tension U aux bornes d'un ensemble de N cellules, associées en série, en modifiant le nombre N de cellules. Les résultats sont donnés sur la figure 4.

Figure 4. Graphique représentant la tension U en fonction du nombre N de cellules

Q5. Proposer une relation numérique entre la tension U et le nombre N de cellules.

Q6. En supposant que la relation précédente est valable quel que soit le nombre de cellules élémentaires mises en série, déterminer l'ordre de grandeur du nombre de cellules élémentaires nécessaires à l'obtention d'une tension d'une centaine de volts.
2. La pile Daniell
Le gaz qui se forme lors de l'utilisation de la pile Volta empêche la production d'un courant constant au cours du temps, nécessaire pour l'alimentation de certains appareils électriques, comme le télégraphe. Progressivement, la pile Daniell remplace les piles basées sur le principe de Volta. Elles peuvent être associées en série pour augmenter la tension globale délivrée.

Figure 5. Photographie d'une batterie de piles Daniell

Figure 6. Schéma en coupe d'une pile Daniell

On peut schématiser une pile Daniell de la manière suivante :

une électrode en cuivre plonge dans un volume V = 100 mL de solution aqueuse de sulfate de cuivre (Cu²⁺(aq) ; SO₄ ²⁻(aq)) de concentration C = 0,100 mol·L⁻¹, cette solution étant elle-même contenue dans un vase poreux ;

le vase poreux joue le rôle de pont salin ;

le vase poreux plonge dans un bécher contenant une solution acide et une électrode de zinc de masse d'environ m ≈ 100 g.

L'équation modélisant la transformation chimique ayant lieu lorsque la pile Daniell débite un courant est :

Données :

masse molaire du sulfate de cuivre CuSO₄ : 159,6 g·mol⁻¹ ;

masse molaire du zinc Zn : 65,4 g·mol ⁻¹ ;

charge électrique d'une mole d'électrons : 9,65×10⁴ C.

Q7. Montrer que l'ion Cu ²⁺ est le réactif limitant dans la transformation considérée.

Q8. En supposant que la pile soit destinée à l'alimentation d'un appareil nécessitant un courant électrique d'intensité 20 mA, déterminer la valeur de la durée maximale de fonctionnement de la pile.
Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie, même si elle n'a pas abouti. La démarche est évaluée et nécessite d'être correctement présentée. ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE

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La pile au méthanol                                  Nouvelle Calédonie 2022 Sujet 1

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La pile au méthanol                                  Nouvelle Calédonie 2022 Sujet 1

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Nouvelle Calédonie 2022 Sujet 1
Exercice C - (5 points) - au choix du candidat - Durée 0h53 - Calculatrice autorisée
Sujet n° 22-PYCJ1NC1

Mots clés de l'EXERCICE C : oxydo-réduction, volume molaire des gaz, capacité électrique

Une pile à méthanol fait partie de la famille des piles à combustibles. Elle est constituée de deux électrodes en platine, au niveau desquelles se produisent une réaction d'oxydation et une réaction de réduction. Le platine sert de catalyseur pour les réactions d'oxydo-réduction. Les deux électrodes sont séparées par une membrane poreuse riche en ions hydrogène

H⁺(aq), appelée membrane protonique. L'une des électrodes est alimentée par du dioxygène puisé dans l'air, et l'autre est alimentée par un combustible, ici le méthanol en solution aqueuse ( figure 1).

Données :

Masse molaire du méthanol : Mméthanol = 32,0 g.mol⁻¹.

Masse volumique du méthanol : ρéthanol = 0,792 g.mL⁻¹.

Composition volumique de l'air : 20 % de dioxygène et 80 % de diazote.

Volume molaire du dioxygène dans les conditions de l'expérience : Vm = 24,5 L.mol⁻¹.

Constante de Faraday : J = 9,65 x 10⁴ C.mol⁻¹.

Le rendement r d'une pile relie sa capacité électrique réelle Q'max à sa capacité électrique théorique Qmax par la relation : Q'max= r × Qmax

Lorsqu'on associe des piles en série, leurs capacités électriques s'ajoutent.

PARTIE A : Étude du fonctionnement de la pile au méthanol
Les demi-équations traduisant les réactions au niveau des électrodes de la pile au méthanol sont données ci-dessous :

A.1.1. Identifier quelle électrode constitue l'anode et quelle électrode constitue la cathode dans la pile au méthanol.

A.1.2. Indiquer sur le schéma du circuit étudié donné dans l'ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE (p18/18), les pôles de la pile ainsi que le sens du courant électrique.

A.1.3. Expliquer le rôle de la membrane protonique dans la pile au méthanol.

A.1.4. Indiquer le sens de circulation des porteurs de charge à l'intérieur et à l'extérieur de la pile sur le schéma de l'ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE (p18/18).

A.2. Écrire l'équation de la réaction chimique modélisant le fonctionnement de la pile.

La pile est alimentée avec un volume V = 5,0 mL d'une solution aqueuse de méthanol à 10 % en volume et avec de l'air ambiant. Le compartiment qui contient l'air est constamment en contact avec l'air ambiant.

On s'intéresse au fonctionnement de la pile au méthanol jusqu'à son usure. La transformation chimique au sein de la pile étant considérée comme totale, le réactif limitant a entièrement disparu lorsque la pile est usée.

A.3.1. Montrer que la quantité de matière de méthanol introduite dans la pile au méthanol a pour valeur n(CH ₃OH) = 1,2 x 10⁻² mol.

A.3.2. Justifier que le dioxygène est le réactif en excès.

A.3.3. Déterminer le volume d'air V(air) consommé lors du fonctionnement de la pile jusqu'à son usure.
PARTIE B : Alimentation d'un circuit comportant un petit ventilateur
Au laboratoire du lycée, des élèves cherchent à faire fonctionner un petit ventilateur avec la pile au méthanol étudiée dans la partie A. Pour y parvenir, ils doivent associer deux piles en série ( figure 2). Ils mesurent alors que l'intensité du courant qui circule dans le circuit lorsque le ventilateur fonctionne vaut I = 450 mA. Chacune des piles a un rendement de 70 %.

B.1. Calculer la capacité électrique théorique de la pile au méthanol étudiée dans la partie A.

B.2. Les élèves souhaitent faire fonctionner le ventilateur pendant au moins une heure. Expliquer en argumentant la réponse s'ils y parviendront.
Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie même si elle n'a pas abouti. La démarche est évaluée et nécessite d'être correctement présentée. ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE (même non complétée) Questions A.1.2. et A.1.4.

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Défibrillateur cardiaque implantable    Liban 2022 Sujet 2

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Défibrillateur cardiaque implantable    Liban 2022 Sujet 2

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Liban 2022 Sujet 2
Exercice C - (5 points) - au choix du candidat - Durée 0h53 - Calculatrice autorisée
Sujet n° 22-PYCJ2LR1

Mots-clés : fonctionnement d'une pile ; réactions électrochimiques aux électrodes ; capacité électrique d'une pile.

La défibrillation est une méthode utilisée afin de réguler le rythme cardiaque. Elle consiste à appliquer un " choc électrique " très bref au cœur du patient. Un défibrillateur interne est un petit boîtier qui est implanté dans le thorax du patient. Il est constitué de circuits électriques alimentés par une pile au lithium qui apporte l'énergie nécessaire à son fonctionnement.

Cet exercice étudie le fonctionnement d'une pile au lithium dont un schéma est présenté ci-dessous.

Données :

tension à vide aux bornes de la pile au lithium : 𝑈 = 3,0 V ;

énergie stockée dans une pile : 𝐸 = 𝑄 · 𝑈 où 𝑄 est la capacité électrique de la pile en coulomb (C) et 𝑈 la tension à vide en volt (V) à ses bornes ;

masse de la pile : 𝑚pile = 2,9 g ;

composition massique de la pile :

couples oxydant/réducteur : Li⁺/Li(s) et MnO₂(s)/MnO₂H(s) ;

masses molaires : 𝑀(Li) = 6,9 g⋅mol−1 et 𝑀(MnO₂) = 86,9 g⋅mol−1 ;

numéro atomique du lithium : 𝑍Li = 3 ;

constante de Faraday : 𝐹 = 96 500 C·mol−1 ;

constante d'Avogadro : 𝑁𝐴 = 6,022 × 10²³ mol−1 ;

charge élémentaire : 𝑒 = 1,60 × 10−19 C.

1. D'après les polarités des électrodes et les couples mis en jeu, écrire les réactions électrochimiques se produisant au niveau des électrodes quand la pile délivre un courant électrique, puis en déduire que l'équation de la réaction modélisant le fonctionnement de la pile s'écrit :

On donne un extrait du tableau périodique des éléments ci-dessous.

2. La configuration électronique d'un atome de lithium est 1s ² 2s ¹. Justifier qu'un atome de lithium donne un ion monoatomique Li⁺. Préciser, en justifiant la réponse, si le lithium métallique est un réducteur ou un oxydant.

3. Montrer que dans la pile neuve, la quantité de matière initiale de lithium est égale à 2,1 × 10 −2 mol et déterminer la quantité de matière initiale en oxyde de manganèse MnO ₂.

4. En déduire le réactif limitant le fonctionnement de la pile et la composition de la pile quand celle-ci est usée.

5. Définir la capacité électrique 𝑄 d'une pile et calculer sa valeur maximale pour la pile au lithium considérée.

6. Le fabricant annonce une capacité électrique réelle de 225 mAh. Proposer une cause pour rendre compte de l'écart entre la valeur maximale et la valeur réelle.

7. En utilisant la capacité électrique donnée par le fabriquant, comparer l'énergie massique de la pile au lithium utilisé dans le défibrillateur avec celles d'autres piles données dans le tableau ci-dessous. Commenter.

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Correction Ex Protection des fondations en acier des éoliennes de mer (Amérique du Nord 2021)

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Correction Ex Protection des fondations en acier des éoliennes de mer (Amérique du Nord 2021)

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Correction Ex Des piles historiques Métropole 2022

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Correction Ex Des piles historiques Métropole 2022

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Correction ex La pile au méthanol_Nouvelle Calédonie 2022 sujet1

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Correction ex La pile au méthanol_Nouvelle Calédonie 2022 sujet1

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Correction Ex étude d'une pile au laboratoire_Métropole 2021

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Correction Ex étude d'une pile au laboratoire_Métropole 2021

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Correction Ex Défibrillateur cardiaque implantable_Amérique du Sud 2022 Sujet 1

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Correction Ex Défibrillateur cardiaque implantable_Amérique du Sud 2022 Sujet 1