Prise en main

Pour prendre en main ce simulateur, il est proposé deux exercices abondamment commentés, qui passent en revue les principales fonctions du simulateur.

Ce simulateur peut fonctionner : 	
- comme pile (association de deux demi-piles), voir la partie 1 ;
- ou comme électrolyseur, voir la partie 2.

Les différents systèmes peuvent être étudiés au niveau macroscopique  comme au niveau microscopique.

1. Pile

Nous allons réaliser une pile Daniell, pour observer son fonctionnement, en mode macroscopique comme en mode microscopique, et déterminer son état au bout de 2,00 heures.

Exercice 1 
Soit une pile Daniell, constituée d’une électrode de cuivre de masse 20 g, plongeant dans 200 mL d’une solution de sulfate de cuivre de concentration initiale en espèce apportée égale à 0,02 mol · L-1 et d’une électrode de zinc de masse 10 g, plongeant dans 150 mL d'une solution de sulfate de zinc de concentration initiale 0,01 mol · L-1 en soluté apporté. 
Les deux électrodes de cette pile sont reliées par une résistance R = 5 W.

Pour simuler une telle simulation il faut :

· Dans l'onglet « Paramètres », choisir : 
• « Association de deux demi-piles ». Cette commande permet de choisir une situation de pile.
•  Fixer la valeur de la résistance extérieure à 5 W.

· Dans l'onglet « Électrode G »,  on définit ce qui se passe dans la demi-pile de gauche sur l'écran. Choisir :
• une électrode de cuivre, de masse 20 g, 
• une solution de sulfate de cuivre de concentration 0,02 mol · L-1, et de volume 200 mL.

On constate que la couleur de la solution du bécher de gauche est bleue. Cette couleur est caractéristique d'une solution de sulfate de cuivre.

· Dans l'onglet « Électrode D », (D comme droite), choisir :
• une électrode de zinc, de masse 10 g, 
• une solution de sulfate de zinc de concentration 0,01 mol · L-1, et de volume 150 mL.

· Dans l'onglet « Animation », choisir : 
• « Représentation à l’échelle macroscopique ». Cela permet de considérer les objets qui constituent la pile, et non de visualiser le déplacement des charges, que l'on trouvera avec la représentation microscopique.
• Régler à volonté la vitesse de l’animation à l’aide du curseur. En effet, on n'attend pas 72 heures comme l'expérience que l'on simule.
• Programmer l’arrêt en cochant la case correspondante et en indiquant un temps de 7 200 s. (soit 2 h).

 Quelle est la tension aux bornes de cette pile ?

On lit cette valeur dans le bandeau supérieur de l’écran d’animation : UDG =  - 1,08 V. 
L'indice DG précise que l'on mesure la tension entre les deux électrodes, D et G.

 Quelle est à t = 0 l’intensité du courant débitée par cette pile ?

Cliquer sur la moitié gauche du rectangle gris situé en haut à droite de l’écran d’animation, afin de remettre la pile dans son état initial. 
On lit la valeur sur le bandeau une intensité initiale : 
I = 12,5 mA
Ce courant est fonction des demi-piles choisies et de la résistance que l'on a positionnée dans le circuit.

 Comment varie cette intensité au cours du temps ? 

Cette intensité est constante pendant les 2 h que dure l'expérience.

 Déterminer l’état de cette pile au bout d’un temps t = 2,00 h de fonctionnement.

Dans Animation, nous avons programmé l’arrêt pour t = 7 200 s soit 2 h.
Au bout d’un temps simulé de 2 h de fonctionnement, l’animation indique :
	§ m Cu = 20,03 g        
	§ m Zn = 9,97 g
	§ [Cu2+] = 1,77 · 10-2 mol · L-1
	§ [Zn2+] = 1,31 · 10-2 mol · L-1	

Observation : En cours d’animation, on peut :
• passer alternativement de la représentation macroscopique à la représentation microscopique,
• observer l’évolution des grandeurs mesurées ainsi que les déplacements des particules,
• noter entre autre, qu’un ion Cu2+, représenté par un disque bleu, se transforme en cercle bleu lorsqu’il entre en contact avec l’électrode de graphite de gauche. Lorsqu'un de ces cercles a reçu deux électrons, il se transforme en disque jaune, représentant un atome de cuivre. 
Cet atome de cuivre semble disparaître. En fait par un changement d’échelle, il contribue au dépôt de matière cuivre, qui se dépose sur l’électrode de graphite (initialement noire) et la colore en doré. 

2. Électrolyse

Exercice 2 
Nous allons réaliser et étudier, pendant un temps simulé de 10 h, l’électrolyse d’un volume V = 300 mL d’une solution de chlorure de sodium de concentration 0,1 mol · L-1 en présence d'électrodes de graphite de masse m = 25 g. 
L'électrolyse est réalisée sous un courant d'intensité constante égale à 50 mA.

Il faut commencer par indiquer au simulateur les paramètres de constitution du système.

· Dans l'onglet Paramètres :
• Cocher l'option « Électrolyse avec un générateur de courant ».
• Cliquer sur la petite flèche de la fenêtre en regard jusqu'à faire apparaître 50 mA. Cela signifie que quelles que soient les conditions, le courant d'électrolyse sera de 50 mA.
• Indiquer la nature du soluté : chlorure de sodium, la concentration en soluté apporté : 
0,1 mol · L-1 et le volume de la solution 300 mL.

· Dans l'onglet Electrode G, puis dans l'onglet D, indiquer électrode de graphite et masse : 25 g. Dans ce cas, les électrodes étant inchangées pendant l'expérience, leur masse en fait n'importe pas.

· Dans l'onglet Animation, programmer l'arrêt en cochant sur la case correspondante et indiquer 36 000 s (10 heures).

· Cliquer sur la partie gauche du rectangle gris situé en haut à droite de la fenêtre d'animation pour effectuer un retour à l'état initial.

 En utilisant la représentation microscopique dans l'onglet « Animation », déterminer les phénomènes se produisant dans les premiers instants de l’électrolyse.

On observe sur l’image fixe, à t = 0, donc avant de lancer l’animation, des disques mauves à proximité de l'électrode de gauche (G). Ils représentent des ions H+(aq) comme l'indique la légende située au centre de la fenêtre d'animation.
À proximité de l’électrode de droite (D), les disques verts représentent des ions chlorure.

Commencer l'animation, on constate que les ions H+ se rapprochent des électrodes. Il se forme H2. De même, les ions Cl- se rapprochent de l'autre électrode. Il se forme Cl2.

Remarques :

- Si l'on veut voir quelles sont les équations aux électrodes, on peut passer en animation macroscopique, dans l'onglet « Animation ». Les équations sont indiquées au-dessus des électrodes.

- En dessous des électrodes, les concentrations des ions du soluté sont affichées en permanence, de même que la masse de chaque électrode.

Lorsqu'on simule une électrolyse, le logiciel n'autorise que la simulation d'électrolyse correspondant à des réactions non spontanées. Essayer de changer les électrodes et le soluté jusqu'à obtenir une fenêtre d'alerte indiquant : 
« Réaction spontanée à la surface des électrodes ». 

Il y a de nombreuses façons d'avoir cette fenêtre d'alerte : Par exemple avec une solution de sulfate de cuivre et une électrode de zinc ou d'aluminium.

Le curseur de correspondance entre la durée de l'animation et la durée réelle permet d'aboutir plus ou moins rapidement à un état final. 
Sur l'animation précédente :
• mettre le curseur sur min ; on voit s'égrainer les secondes sur le chronomètre en haut à gauche de la fenêtre d'animation,
• mettre le curseur sur max ; le paramètre temps augmente tellement rapidement qu'on perçoit à peine le défilement des minutes.