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EXERCICES 16-B

Réaction entre l'aluminium et l'acide chlorhydrique

Pile à combustible

Pile au lithium

EXERCICE 1


ENONCE : Réaction entre l'aluminium et l'acide chlorhydrique

Dans un bécher contenant de l'acide chlorhydrique on place un morceau de papier aluminium. un dégagement gazeux se produit pendant que l'aluminium disparait.

Les couples oxydant/réducteur mis en jeu sont Al 3+ (aq) / Al (s) et H+ (aq) / H2 (g)

· 1- Quels sont les réactifs et les produits de la réaction d'oxydoréduction. (corrigé)

· 2- Ecrire les demi-équations redox puis l'équation de la réaction d'oxydoréduction qui se produit. (c)


SOLUTION :


·
1-
(énoncé) Les réactifs sont l'aluminium Al (s) et l'acide chlorhydrique H+ (aq) + Cl - (aq). Les ions chlorure Cl - (aq) sont passifs.

Les produits de la réaction sont le dihydrogène H2 (g) et le chlorure d'aluminium Al +++ (aq) + 3 Cl - (aq).


·
2-
(e) Ecrivons les demi-équations redox puis l'équation de la réaction d'oxydoréduction qui se produit.

3 H+ (aq) + 3 e -(3/2) H2 (g) (1)

Ox 1 + 3 e - Red 1 (1 bis)

Al (s) Al 3+ (aq) + 3 e - (2)

Red 2 Ox 2 + 3 e - (2 bis)

L'équation de la réaction d'oxydoréduction s'obtient en additionnant (1) et (2) :

3 H+ (aq) + 3 e - + Al (s) (3/2) H2 (g) + Al 3+ (aq) + 3 e -

3 H+ (aq) + Al (s) (3/2) H2 (g) + Al 3+ (aq) - (3)

Les ions chlorure Cl - (aq) sont passifs. On peut néanmoins écrire :

3 H+ (aq + 3 Cl - (aq) + 3 Al (s) (3/2) H2 (g) + Al 3+ (aq) + 3 Cl - (aq). - (4)

 

EXERCICE 2


ENONCE : Pile à combustible

Une pile fonctionne avec les réactions suivantes :

H2 (g) + 2 HO - (aq ) 2 H2O (L) + 2 e -

1 / 2 O2 (g) + H2O (L ) + 2 e - 2 HO - (aq)

· 1- Déterminer les pôles positif et négatif de la pile. (corrigé)

· 2- Ecrire l'équation bilan de fonctionnement de la pile. (c)


SOLUTION :


·
1-
(énoncé) Le pôle négatif de la pile donne des électrons négatifs e - à l'extérieur. C'est donc là qu'a lieu la réaction suivante :

H2 (g) + 2 HO - (aq ) 2 H2O (L) + 2 e - (5)

Le pôle négatif est l'anode vers laquelle se dirigent les anions HO -. Il y a oxydation de H.

Le pôle positif de la pile attire les électrons venant de l'extérieur. On y observe la réaction suivante :

1 / 2 O2 (g) + H2O (L ) + 2 e - 2 HO - (aq) (6)

Le pole positif est la cathode. On y observe la réduction de l'oxygène présent dans O2 .


· 2- (e) Ecrivons l'équation bilan de fonctionnement de la pile en ajoutant (5) et (6) :

H2 (g) + 2 HO - (aq ) + 1 / 2 O2 (g) + H2O (L) + 2 e - 2 H2O (L) + 2 e - + 2 HO - (aq) (7)

Simplifions :

 H2 (g) + 1 / 2 O2 (g) 1 H2O (L) (7 bis)

 

EXERCICE 3


ENONCE : Pile au lithium

Ce type de pile est bien adapté aux applications nécessitant un courant relativement faible mais une durée de vie assez longue (système d'alarme par exemple).

Elle fait intervenir les réactions d'oxydoréduction suivantes :

Li (s) Li + (aq ) + e -

2 SOCl2 (aq ) + 4 e - 4 Cl - (aq) + SO2 (g) + S (s) SOCl2 est le chlorure de thionyle.

· 1- A quelle borne positive ou négative ont lieu chacune des réactions précédentes ? (corrigé)

· 2 Ecrire la réaction globale de fonctionnement de la pile. (c)

· 3- Une pile contient m1 = 4,6 g de chlorure de thionyle et m2 = 0,40 g de lithium. Quel est le réactif limitant ? (c)

· 4- Quelle charge aura débité la pile lorsqu'elle sera complètement déchargée ? (c)

Données :

Charge élémentaire e = 1,6 x 10 - 19 C Nombre d'Avogadro : NA = 6,02 x 10 23 / mol

Masses molaires atomiques :Li : 6,9 g / molS : 32 g / molO : 16 g / molCl : 35,5 g / mol

 
SOLUTION :


·
1-
(énoncé) La réaction Li (s) Li + (aq ) + e -  (8) donne des électrons négatifs à l'extérieur. Elle a lieu à la borne négative de la pile.

La réaction 2 SOCl2 (aq ) + 4 e - 4 Cl - (aq) + SO2 (g) + S (s) (9) capte les électrons venant de l'extérieur. Elle a lieu à la borne positive de la pile.


· 2 (e) Ecrivons la réaction globale de fonctionnement de la pile.

Pour compenser les 4 e - captés par la 2° réaction il faut multiplier par 4 la 1° réaction Li (s) Li + (aq ) + e - (8)

Cela s'écrit : 4 Li (s) 4 Li + (aq ) + 4 e - (8 bis)

En ajoutant (8 bis) et (9) on obtient :

4 Li (s) + 2 SOCl2 (aq ) + 4 e - 4 Li + (aq ) + 4 e - + 4 Cl - (aq) + SO2 (g) + S (s) (10)

4 Li (s) + 2 SOCl2 (aq ) 4 Li + (aq ) + 4 Cl - (aq) + SO2 (g) + S (s) (10 bis)


· 3- (e) Une pile contient m1 = 4,6 g de chlorure de thionyle et m2 = 0,40 g de lithium. Voyons quel est le réactif limitant.

La masse molaire du chlorure de thionyle est :

M (SOCl2) = 32 + 16 + 35,5 x 2 = 119 g / mol (11)

La quantité de matière présente dans m1 = 4,6 g de chloryre de thionyle est :

n1 = m1 / M (SOCl2) = 4,6 / 119 = 0,039 mol (12)

La quantité de matière présente dans m2 = 0,40 g de lithium est :

n2 = m2 / M (Li) = 0,40 / 6,9 = 0,058 mol (13)

Equation

4 Li

+ 2 SOCl2

4 Li +

+ 4 Cl -

+ SO2

+ S

Etat initial

Avancement X = 0 mol

0,058 mol

0,039 mol

0 mol

0 mol

0 mol

0mol

Etat intermédiaire

Avancement X mol

0,058 - 4 X

0,039 - 2 X

4 X

4 X

X

X

Etat final

Avancement max

Xmax = 0,0145 mol

0

0,010 mol

0,058

0,058

0,0145

0,0145

Le réactif limitant est le lithium. Il disparait totalement.

L'avancement maximum s'obtient en écrivant que 0,058 - 4 X s'annule :

0,058 - 4 Xmax = 0 soit Xmax = 0,058 / 4 = 0,0145 mol (14)

Remarque : Ecrire que SOCl2 est le réactif limitant (0,039 - 2 Xmax = 0) conduirait à des résultats absurdes.


· 4- (e) Calculons la charge qu'aura débité la pile lorsqu'elle sera complètement déchargée.

La réaction Li (s) Li + (aq ) + e -  (8) montre que la disparition de 0,058 mol de Li s'accompagne de la circulation de 0,058 mol d'électrons.

1 mole d'électrons a une charge de 6,02 x 10 23  x 1,6 x 10 - 19 = 9,63 x 10 4 coulombs = 9,63 x 10 4 C (15)

Lorsqu'elle sera complètement déchargée la pile aura débité 0,058 mol d'électrons, soit une charge :

Q = 0,058 x 9,63 x 10 4 = 5,6 x 10 3 C (16)

 

A VOIR :

Exercice 16-A : Connaissances du cours n° 16.

Exercice 16-B : Réaction entre l'aluminium et l'acide chlorhydrique - Pile à combustible - Pile au lithium. (ci-dessus)

Exercice 16-C : Fonctionnement d'un accumulateur.

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