Troisième Partie : Le sens «spontané» d un système chimique est il prévisible? Peut on l inverser?

Transcription

1 Chapitre : Les piles électrochimiques

2 I. Quels sont les deux types de transfert spontané d électrons?

3 I.1. Transferts spontanés directs d électrons Réduction des ions cuivre II en Cu Oxydation du Zn en ions zinc II Augmentation de température Transformation spontanée Pas de transformation

4 I.1. Transferts spontanés directs d électrons Ces observations expérimentales traduisent un transfert. spontané d électrons du réducteur Réd 1 vers l oxydant Ox. Ce transfert spontané d électrons se fait directement entre le réducteur Réd 1 et l oxydant Ox.

5 I.. Transferts spontanés indirects d électrons On peut récupérer l énergie libérée lors de la réaction d oxydoréduction en séparant les réactifs dans deux compartiments différents Le transfert t est ainsi i rendu.. indirect Cependant il est nécessaire de relier chacun des compartiments par un pont salin pour fermer le circuit électrique et assurer ainsi le transfert des électrons entre chaque compartiment (et le transport du courant).

6 I.. Transferts spontanés indirects d électrons R A Lame de cuivre V Pont salin Lame de zinc Solution de Cu + SO Solution de Zn + SO Par le biais i de ce montage on a ainsi i réalisé é une pile électrochimique

7 II. Qu est est ce qu une une pile électrochimique?

8 II.1. Définition d une pile électrochimique Une pile électrochimique est un dispositif qui convertit une énergie.. chimique en énergie.. électrique grâce à un transfert spontané.. indirect d électrons entre deux couples oxydant / réducteur via un circuit électrique extérieur (les deux couples ne sont pas en contact).

9 II.. Les composants d une pile électrochimique Une pile électrochimique est constituée de... deux compartiments distincts contenant chacun un couple oxydant / réducteur qui sont reliés par un pont. salin R A Lame de cuivre V Pont salin Lame de zinc Solution de Cu + SO + 4 Solution de Zn + SO + 4

10 II.. Les composants d une pile électrochimique a) Demi-pile R A Lame de cuivre V Pont salin Lame de zinc Solution de Cu + SO + 4 Solution de Zn + SO + 4 Chaque compartiment d une pile constitue une demi-pile

11 II.. Les composants d une pile électrochimique a) Demi-pile Lame de cuivre Électrode de cuivre Cu (s) Solution électrolytique Solution de Cu + SO + 4 Une demi-pile est constituée d une plaque de métal M (s) appelée.., électrode qui plonge dans une.. solution électrolytique contenant t l ion métallique associé au métal M (s). Autrement dit chaque demi-pile contient l oxydant et le réducteur d un couple.

12 II.. Les composants d une pile électrochimique b) Pont salin Pont salin Le pont salin fait le lien entre les deux demi-piles, il est constitué d un électrolyte (conducteur ionique) Ex : solution de chlorure de potassium ( K + + Cl ) ou nitrate d ammonium ( NH 4 NO ) Il assure : la. fermeture du circuit pour permettre la circulation de courant électrique entre chaque demi-pile et l. électroneutralité des solutions de chaque demi-pile.

13 III. Comment fonctionneunepile électrochimique?

14 Exemple de la pile Daniell : Zinc Cuivre R Cu (s) K + Cl Pont salin Zn (s) Cu + Zn + SO 4 SO 4

15 III.1. Réactions aux électrodes et polarité des électrodes Les réactions d oxydation et de réduction (transfert d électrons) ont lieu à la surface des électrodes. l ANODE est l électrode qui est le siège d une.., OXYDATION c est la borne. NÉGATIVE de la pile (c est de cette électrode que partent les électrons vers le circuit extérieur). la CATHODE est l électrode qui est le siège d une.., RÉDUCTION c est la borne POSITIVE de la pile (c est sur cette électrode que les électrons arrivent par le circuit extérieur).

16 III.1. Réactions aux électrodes et polarité des électrodes Exemple de la pile Daniell : Zinc Cuivre R K + Cl Pont salin Cu + Zn + Cu (s) Zn (s) SO 4 SO 4 Zn (s) + = Zn + e c est une, oxydation l électrode de zinc est donc l anode Cu + e = + c est une, réduction l électrode de cuivre est donc.. la cathode Cu (s)

17 III.. Mouvement des porteurs de charge dans une pile électrochimique a) Mouvement des électrons dans le circuit électrique À l anode Zn (s) + = Zn + e L électrode de. zinc fournit des électrons, il s agit donc de l oxydation du + zinc et la concentration en ions Zn augmente au cours du temps. La lame de zinc perd de sa matière, sa masse diminue. À la cathode Cu + e = Cu + (s) L électrode de.. cuivre capte des électrons qui vont participer à la réduction des ions cuivre (II) et la concentration en ions + Cu diminue au cours du temps La lame de. cuivre gagne de la matière, sa masse augmente (un dépôt de.. cuivre apparaît sur la lame).

18 III.. Mouvement des porteurs de charge dans une pile électrochimique a) Mouvement des électrons dans le circuit électrique Zoom I e R e I Zoom e Zn + e Cu + K + Cl Pont salin Zn (s) Cu (s) Cu + e e Zn + Cu (s) Zn (s) SO 4 SO 4

19 III.. Mouvement des porteurs de charge dans une pile électrochimique b) Mouvement des ions et rôle du pont salin Les électrons n existent pas à l état libre dans les solutions aqueuses électrolytiques. Dans les solutions et dans le pont salin, la circulation du courant est assurée par un déplacement d ions Les anions du pont salin vont migrer du côté du compartiment où la concentration n+ en ions métalliques M.. augmente au cours du temps donc vers l (assure ANODE l électroneutralité). Les cations du pont salin vont migrer du côté du compartiment t où la n+ concentration en ions métalliques M.. diminue au cours du temps donc vers la (assure CATHODE l électroneutralité).

20 III.. Mouvement des porteurs de charge dans une pile électrochimique b) Mouvement des ions et rôle du pont salin Zoom I e R e I Zoom e Zn + e Cu + K + Cl Pont salin Zn (s) Cu (s) Cu + e e Zn + Cu (s) Zn (s) SO 4 SO 4

21 III.. Mouvement des porteurs de charge dans une pile électrochimique On considère une pile électrochimique composée de deux demi-piles constituées chacune d une plaque de métal M (s) qui plonge dans une solution électrolytique n+ contenant l ion métallique associé au métal M (s). M À l anode la masse de l électrode diminue au cours du temps la concentration en ions métalliques M n+ augmente À la cathode la masse de l électrode augmente au cours du temps la concentration en ions métalliques M n+ diminue

22 III.3. Schéma conventionnel d une pile électrochimique M Électrodes n+ p+ 1, (s) / M 1, // M, / M, (s) Pont salin La borne négative sera placée à gauche

23 III.4. Force électromotrice (f.é.m.) d une pile électrochimique La f.é.m. d une pile correspond à la.. tension à vide de la pile On mesure la f.é.m. en plaçant un voltmètre entre les deux électrodes de la pile quand. aucun courant ne circule (la résistance d un voltmètre est très grande et aucun courant ne circule). La mesure de la f.é.m. permet de.. trouver le sens du courant E r I La caractéristique d une pile est : U PN =... UPN UPN I E r I

24 III.4. Force électromotrice (f.é.m.) d une pile électrochimique UPN UPN I E r I La caractéristique d une pile est : U =... PN intensité du courant E r I débité par la pile en ampère A tension aux bornes du force électromotrice générateur en volts V (f.é.m.) en volts V résistance interne en ohms Ω La f.é.m. d une pile dépend : de la nature des couples mis en jeu et des. concentrations en ions métalliques des solutions

25 III.5. La pile électrochimique : un système hors équilibre Une pile est un système qui satisfait aux critères d évolution spontanée Au cours de son fonctionnement, la pile est un système chimique hors équilibre L avancement x(t) () de la réaction. augmente et le quotient de réaction Q r. varie ; La pile débite alors des électrons, l intensité I du courant débité.. n est pas nulle I 0 A La pile tend alors vers un état d équilibre,.., Q r, éq = K qui est atteint lorsqu elle est usée. À cet instant l avancement vaut x éq, l intensité du courant débité est nulle I éq =., 0 A la tension de la pile U PN tend. vers 0 donc la f.é.m. aussi.

26 III.6. Un exemple d application : la pile Cuivre Argent Elle est constituée : Cu (s) d une demi-pile de cuivre : électrode de qui plonge dans une solution d ions Cu + d une demi-pile d argent : électrode de Ag (s) qui plonge dans une solution d ions d un pont salin de nitrate de potassium (ions K + et NO ) 3, Ag + Les concentrations en ions métalliques à l état létat initial sont toutes égales à C= 0,10mol L 1 Les réactions qui peuvent avoir lieu entre ces couples sont : Ag + Cu = Ag + Cu K = 4, à 5 C (réaction ) ) (s) ' (s) 1 15 Ag + Cu = Ag + Cu K =... = 1,1 10 à5 C (réaction ) + + (s) (s) ' 1 K 1

27 III.6. Un exemple d application : la pile Cuivre Argent Les concentrations en ions métalliques à l état initial sont toutes égales à C= 0,10mol L 1 Calculer la valeur du quotient de réaction à l état initial pour chacune des réactions Ag + Cu = Ag + Cu (s) ' (s) 1 K = 4,7 10 à 5 C (réaction ) + Q r,i,1 =... Ag = 0,10 > K + 1 Cu donc la réaction évolue en sens indirect

28 III.6. Un exemple d application : la pile Cuivre Argent Les concentrations en ions métalliques à l état initial sont toutes égales à C= 0,10mol L 1 Ag + Cu = Ag + Cu + + (s) (s) ' K..., = = à 5 C (réaction ) K 1 + Q r,i, =... Cu = 10 < K Ag + donc la réaction évolue en sens direct La réaction spontanée est donc la réaction K =,1 10 De plus la constante d équilibre est très importante donc la réaction est totale 15

29 III.6. Un exemple d application : la pile Cuivre Argent Les concentrations en ions métalliques à l état initial sont toutes égales à Ag + Cu = Ag + Cu + + (s) (s) ' C= 0,10mol L 1 Déterminer la polarité de chaque électrode 1 K K..., = = à 5 C (réaction ) L électrode de cuivre.. cède donc des électrons qui sont. captés par les ions Ag + au contact de l électrode d argent Ag À l extérieur de la pile les électrons vont de l électrode.vers de cuivre Cu(s) l électrode d argent Ag. (s) Le courant d intensité I circule dans. dans l autre sens 1

30 III.6. Un exemple d application : la pile Cuivre Argent Les concentrations en ions métalliques à l état initial sont toutes égales à Ag + Cu = Ag + Cu + + (s) (s) ' C= 0,10mol L 1 1 K K..., = = à 5 C (réaction ) L électrode de cuivre est le siège d une., oxydation c est..., l anode elle constitue la borne. de la pile car elle. cède les électrons. 1 L électrode d argent argentest est le siège d une., réduction c est cest, la cathode elle constitue le borne. + de la pile car dans le circuit extérieur, les électrons. arrivent à cette électrode.

31 III.6. Un exemple d application : la pile Cuivre Argent Les concentrations en ions métalliques à l état initial sont toutes égales à Ag + Cu = Ag + Cu + + (s) (s) ' C= 0,10mol L 1 Déterminer vers quelle demi-pile il vont se dirigeri les cations et les anions NO du pont salin 3, 1 K K..., = = à 5 C (réaction ) 1 K + K + NO 3, vers la demi-pile argent afin de compenser la disparition des ions Ag + vers la demi-pile cuivre afin de compenser l apparition des ions Cu +

32 IV. Quelle quantité d électricité peut débiter une pile électrochimique?

33 IV.1. Intensité du courant débitée par une pile électrochimique Δt = e = 1,6 10 Pendant une durée, N électrons, de charge individuelle e circulent à travers une section S de conducteur, la charge totale qui a traversé la section S est : N q e = N ( e) q 19 C L intensité du courant continu I est définie comme un débit de charges, elle est positive donc : valeur absolue de la Q I =... Δt = N e charge en coulomb (C) Intensité du courant en ampère (A) Δt Durée en seconde (s) Au total il y a N électrons sont transférés entre les deux demi-piles, on en déduit la relation suivante : n(e ) N A N =... A en mol, quantité de matière d électrons transférés lorsque la pile débite en mol 1, constante d Avogadrod

34 IV.1. Intensité du courant débitée par une pile électrochimique I = N e n(e ) N Δt A e n(e ) F I =... = Δt Δt N = n(e ) N A constante appelée le Faraday Un faraday correspond à la valeur absolue de la charge d une mole d électrons 1F = N e= = 9,65 10 C mol A ,0 10 1,

35 IV.. Un exemple d application : la pile Cuivre Aluminium Elle est constituée : Cu (s) d une demi-pile de cuivre : électrode de qui plonge dans une solution d ions Cu + d une demi-pile d aluminium : électrode de Al (s) qui plonge dans une solution d ions d un pont salin de nitrate de potassium (ions K + et NO ) 3, 3 Al + L électrode d aluminium est l anode de la pile électrochimique Écrire les deux demi-équations d oxydoréduction et en déduire l équation-bilan de la pile Al = 3+ Al + 3 e ( ) Cu + e = Cu ( 3) (s) + (s) Al + 3Cu = Al + 3Cu + 3+ (s) (s)

36 IV.. Un exemple d application : la pile Cuivre Aluminium Al + 3Cu = Al + 3Cu + 3+ (s) (s) Dresser le tableau d avancement de la transformation chimique lorsque la pile débite État Avancement (en mol) Al + 3Cu + = Al + + (s) 3 Quantité de matière (en mol) 3Cu(s) Quantité de matière d e échangés (en mol) + E.I. 0 n(al i (s)) n(cu ) i n(al ) n(cu i (s)) 0 i 3+ + E.C.T. x n(al i (s)) x n(cu ) 3x i n(al ) + x n(cu i (s)) + 3x 3 x = 6 x i 3+

37 IV.. Un exemple d application : la pile Cuivre Aluminium État Avancement (en mol) Al + 3Cu + = Al + + (s) 3 Quantité de matière (en mol) 3Cu(s) Quantité de matière d e échangés (en mol) + E.I. 0 n(al i (s)) n(cu ) i n(al ) n(cu i (s)) 0 i 3+ + E.C.T. x n(al i (s)) x n(cu ) 3x i n(al ) + x n(cu i (s)) + 3x 3 x = 6 x i 3+ Déterminer la valeur de l avancement x lorsque la pile débite une intensité constante I = 10,0 ma pendant une durée t =,00heures n(e ) F 6x F On sait que I =... Δt I= Δt x I Δt = 6 F F

38 IV.. Un exemple d application : la pile Cuivre Aluminium État Avancement (en mol) Al + 3Cu + = Al + + (s) 3 Quantité de matière (en mol) 3Cu(s) Quantité de matière d e échangés (en mol) + E.I. 0 n(al i (s)) n(cu ) i n(al ) n(cu i (s)) 0 i 3+ + E.C.T. x n(al i (s)) x n(cu ) 3x i n(al ) + x n(cu i (s)) + 3x 3 x = 6 x i 3+ n(e ) F 6x F On sait que I =... Δt I= Δt x I Δt = 6 F A.N. : x = ,0 10, = 1, 4 10 mol 4 6 9,65 10

39 IV.. Un exemple d application : la pile Cuivre Aluminium État Avancement (en mol) Al + 3Cu + = Al + + (s) 3 Quantité de matière (en mol) 3Cu(s) Quantité de matière d e échangés (en mol) + E.I. 0 n(al i (s)) n(cu ) i n(al ) n(cu i (s)) 0 i 3+ + E.C.T. x n(al i (s)) x n(cu ) 3x i n(al ) + x n(cu i (s)) + 3x 3 x = 6 x i 3+ Calculer dans ce cas la masse perdue m (Al)par l électrode d aluminium (M (Al) = 7,0 g mol 1 ) La masse perdue d aluminium a pour expression : m (Al) = m f (Al) m i (Al)

40 IV.. Un exemple d application : la pile Cuivre Aluminium État Avancement (en mol) Al + 3Cu + = Al + + (s) 3 Quantité de matière (en mol) 3Cu(s) Quantité de matière d e échangés (en mol) + E.I. 0 n(al i (s)) n(cu ) i n(al ) n(cu i (s)) 0 i 3+ + E.C.T. x n(al i (s)) x n(cu ) 3x i n(al ) + x n(cu i (s)) + 3x 3 x = 6 x i 3+ m (Al) = m f (Al) m i (Al) m (Al) = n f (Al) M (Al) n i (Al) M (Al) m (Al) = [n f (Al) n i (Al)] M (Al) m (Al) = [(n i (Al) x) n i (Al)] M (Al) m (Al) = x M (Al)

41 IV.. Un exemple d application : la pile Cuivre Aluminium x = ,0 10, = 1, 4 10 mol 4 6 9,65 10 m (Al) = x M (Al) A.N. : m (Al) = 1, ,0 = 6, g = 6,7 mg

42 V. Les piles usuelles

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