Partie 2. Cinétique des réactions d oxydo-réduction 2.2. Transformations redox spontanées

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1 Energie chimique et énergie électrique Partie 2. Cinétique des réactions d oxydo-réduction 2.2. Transformations redox spontanées Objectifs du chapitre Notions à connaître : Transformations spontanées o Notion de potentiel mixte o Fonctionnement d une pile électrochimique Capacités minimales : Positionner un potentiel mixte sur un tracé de courbes courant-potentiel. Identifier piles, accumulateurs et électrolyseurs comme dispositifs mettant en jeu des conversions entre énergie chimique et énergie électrique. Utiliser les courbes courant-potentiel pour rendre compte du fonctionnement d une pile électrochimique et prévoir la valeur de la tension à vide. Les courbes courant-potentiel permettent de rendre compte du caractère spontané ou non d une transformation d oxydoréduction. Les piles constituent ici encore un outil d étude important car les résultats obtenus pour ces systèmes peuvent être généralisés aux transformations d oxydoréduction spontanées. Problématiques : 1. Comment identifier le caractère spontané ou non d une transformation d oxydo-réduction? 2. Comment la présence de dipôles modifie-t-elle la tension aux bornes d une pile? L étude des piles sera abordée dans les deux cas suivants : Pile court-circuitée (bornes reliées par un fil) : application à la corrosion des métaux ; Pile alimentant un ensemble de dipôles 1. Pile court-circuitée 1.1. Conséquences d un court-circuit Quelles sont les conséquences d un court-circuit de la pile? Justifier. Au niveau de potentiels des deux électrodes? -1-

2 Au niveau des intensités cathodiques et anodiques? 1.2. Lecture des courbes courant-potentiel Tracer l allure des courbes courant-potentiel des couples impliqués dans la pile précédente en supposant les systèmes rapides. Données : E (Pb 2+ /Pb) = - 0,13 V et E (Ag + /Ag) = 0,80 V La concentration des cations métalliques est égale à 0,10 mol.l -1 dans les deux compartiments. A partir des conclusions de la partie précédente sur le court-circuit de la pile et des courbes courant-potentiel, Expliquer pourquoi il y a un transfert d électrons spontané entre les deux couples. Dans quel sens se déroule le transfert d électrons? Quel est le point de fonctionnement de la pile court-circuitée? -2-

3 1.3. Généralisation : transformation spontanée Potentiel mixte : Dans les quatre situations suivantes, dire s il se déroule une transformation spontanée. Discuter éventuellement de sa vitesse. -3-

4 1.4. Etude de cas Expl 1 : Une lame de zinc plongeant dans une solution de sulfate de cuivre (II) se recouvre immédiatement de cuivre. La coloration bleue de la solution caractéristique des ions Cu 2+ s estompe progressivement. Tracer des courbes courant-potentiel compatibles avec cette situation expérimentale. Ecrire l équation de réaction modélisant la transformation qui s effectue. Le tracé des courbes courant-potentiel se limite aux branches mettant en jeu en tant que réactif, uniquement les espèces présentes dans le milieu. Pourquoi un tel système peut-il être assimilé à une pile court-circuitée? -4-

5 Expl 2 : Plongé dans une solution d acide sulfurique, un fil de plomb n est pas altéré. En revanche, si on vient le toucher dans la solution avec un fil de platine, on observe un dégagement de dihydrogène et une production d ions Pb 2+. Justifier à l aide des courbes courant-potentiel fournies ci-dessous, ces deux observations. i E Par analogie, expliquer pourquoi une corrosion est observée à la jonction des deux métaux sur ce radiateur. -5-

6 Expl 3 : Pile d aération d Evans : on dépose sur une plaque d acier décapée une goutte d une solution contenant : o De la phénolphtaléine (qui prend une coloration rose quand le milieu devient basique) o Un agent précipitant les ions Fe 2+ Etat initial Etat final Montrer que le potentiel du couple O2/H2O dépend de la pression partielle en dioxygène. Sachant que les couples en jeu sont O2/H2O et Fe 2+ /Fe, montrer que d après le résultat obtenu, le métal sous la goutte s est divisé en deux zones : une zone cathodique en périphérie (fortement aérée) et une zone anodique au centre. Proposer des courbes courant-potentiel compatible avec la situation observée. -6-

7 2. Fonctionnement d une pile alimentant un ensemble de dipôles Quelle différence en termes de potentiels des demi-piles induit le branchement de dipôles entre les bornes de la pile? Comment trouve-t-on les caractéristiques de fonctionnement dans le cas d une pile lorsqu elle alimente un circuit? Où lire la valeur de la tension à vide? Expl : pile Zn Zn 2+, SO4 2 Cu 2+, SO4 2 Cu -7-