COURS SPE ELECTROLYSE ET PILES. 1.Notion de couple rédox

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1 COURS SPE ELECTROLYSE ET PILES 1.Noton de couple rédox

2 On réalse l expérence suvante: Lame de znc Zn Soluton de sulfate de cuvre ( Cu 2+, SO 4 2- ) Au blan, l y a une réacton, avec échange d électrons: C est une réacton d oxydo réducton.on écrt Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+

3 La lame de znc fournt les électrons, donc les atomes de znc passent de l état atomque à l état onque.(la lame se dssout peu à peu) On écrt : Zn Zn e -, le znc perd des électrons Il y a un dépôt de cuvre, sur la lame de znc On écrt : Cu e - Cu, le cuvre gagne des électrons, Les électrons sont fourns par la lame de znc.

4 2. Noton de ple redox On va détourner les électrons de cette réacton naturelle pour fare une ple:

5 Fonctonnement de la ple Zn/(Zn 2+ ;SO 4 2- )// (Cu 2+ ;SO 4 2- )/Cu I 2e- 2e- I Pont saln + - Na + conducteur 2e- Na + A I 2e- 2e- SO 4 2- Na + Na + SO 4 2-2e- Cu Cu 2+ Zn 2+ Zn les évènements présentés successvement sont smultanés en réalté

6 Le znc donne toujours les électrons. Donc la lame de znc est le pôle de la ple La lame de cuvre est le pôle +. Il y a oxydaton du znc et réducton du cuvre Le voltmètre ndque 1 V envron La dfférence de potentel d électrode entre le couple Cu 2+ / Cu et le couple Zn 2+ /Zn est de 1 V. On peut donc classer ces 2 couples par pouvor oxydant reducteur crossant

7 Cela donne l échelle de classement électrochmque suvante : 1 V Tenson (V) Couple Zn 2+ /Z n Couple Cu 2+ /Cu Pouvor oxydant crossant

8 L assocaton d un métal avec sa forme oxydée est appelée dem-ple Lame de Cuvre Cu Soluton de sulfate de Cuvre ( Cu 2+, SO 4 2- ) Dem-ple au cuvre

9 3. Établssement de la classfcaton Il sufft pour cela de réalser une autre ple: Lame de cuvre Cu Soluton aqueuse de sulfate de cuvre : Ions Cu 2+, SO 4 2- V Paper mbbé d une soluton de K +, Cl - Lame de fer Fe Soluton aqueuse de sulfate de fer II : Ions Fe 2+, SO 4 2-

10 La lame de fer est le pôle de la ple, donc le fer donne les électrons La lame de cuvre est le pôle +. Il y a oxydaton du fer et réducton du cuvre Le voltmètre ndque 0,75 V envron 1 V Tenson (V) Couple Zn 2+ /Z n Couple Fe 2+ /Fe 0,7 V Pouvor Couple oxydant Cu 2+ /Cu crossant

11 Mantenant que l échelle est construte, l faut placer une orgne: un zéro! Le potentel 0 V correspond à l électrode à hydrogène du couple acde H 3 O + / H 2. La ple cuvre/hydrogène a une ddp de 0,34 V, le cuvre restant le pôle + - 0,76-0, ,34 Tenson (V) Couple Zn 2+ /Z n Couple Fe 2+ /Fe Couple H 3 O + /H 2 Pouvor Couple oxydant Cu 2+ /Cu crossant

12 4. Prévor une réacton rédox On applque la règle du g : Cu 2+ Pb 2+ Au blan on écrt : Cu + 0,34 V Pb - 0,13 V Le cuvre est pus oxydant que le plomb. Le plomb sera donc oxydé en on Pb 2+, et le cuvre rédut en atomes Cu. Il y aura un dépôt de cuvre sur la lame de plomb Cu 2+ + Pb Cu + Pb 2+

13 VOIR FICHE RESUME OXYDO REDUCTION

14 5.ELECTROLYSE

15 La réacton que nous venons de vor ne peut pas se fare dans un autre sens Lame de Cuvre Cu Il n y a pas de dépôt de znc sur le cuvre. Soluton de sulfate de Znc ( Zn 2+, SO 4 2- )

16 ON VA FORCER LE PASSAGE DES ELECTRONS EN REALISANT.UNE ELECTROLYSE

17 L électrolyse cuvre / brome T. DULAURANS

18 Électrolyse cuvre / brome On place une soluton de bromure de cuvre II dans un tube en U et on plonge des électrodes de graphte dans la soluton Électrodes en graphte Soluton de bromure de cuvre (II) : Cu 2+ ; 2 Br -

19 Électrolyse cuvre / brome On rele les électrodes par un crcut électrque contenant un générateur générateur Électrodes en graphte Soluton de bromure de cuvre (II) : Cu 2+ ; 2 Br -

20 Électrolyse cuvre / brome Le générateur mpose le sens du courant électrque générateur Électrodes en graphte Soluton de bromure de cuvre (II) : Cu 2+ ; 2 Br -

21 Électrolyse cuvre / brome Dans les conducteurs, le courant est créé par la crculaton des électrons e - générateur e - e - Électrodes en graphte Soluton de bromure de cuvre (II) : Cu 2+ ; 2 Br -

22 Électrolyse cuvre / brome Dans la soluton, le courant est créé par la crculaton des ons e - générateur e - e - Électrodes en graphte Soluton de bromure de cuvre (II) : Cu 2+ ; 2 Br -

23 Électrolyse cuvre / brome Les anons se déplacent dans le sens des électrons e - générateur e - e - Électrodes en graphte Soluton de bromure de cuvre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Déplacement des anons

24 Électrolyse cuvre / brome Les catons se déplacent dans le sens du courant e - générateur e - e - Électrodes en graphte Déplacement des anons Soluton de bromure de cuvre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Déplacement des catons

25 Électrolyse cuvre / brome Les électrons sont lbérés par l oxydaton des ons Br - e - générateur e - e - Oxydaton 2 Br - = Br e - Déplacement des anons Soluton de bromure de cuvre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Déplacement des catons

26 Électrolyse cuvre / brome Les électrons sont lbérés par l oxydaton des ons Br - e - générateur e - e - Oxydaton 2 Br - = Br e - Déplacement des anons Soluton de bromure de cuvre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Déplacement des catons

27 Électrolyse cuvre / brome Les électrons sont consommés par la réducton des ons Cu 2+ e - générateur e - e - Réducton Cu e - = Cu Oxydaton 2 Br - = Br e - Déplacement des anons Soluton de bromure de cuvre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Déplacement des catons

28 Électrolyse cuvre / brome Les électrons sont consommés par la réducton des ons Cu 2+ e - générateur e - e - Réducton Cu e - = Cu Oxydaton 2 Br - = Br e - Déplacement des anons Soluton de bromure de cuvre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Déplacement des catons

29 Électrolyse cuvre / brome Anode courant arrve ( oxydaton) CATHODE Réducton Cu e - = Cu e - générateur e - e - ANODE Oxydaton 2 Br - = Br e - Déplacement des anons Soluton de bromure de cuvre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Déplacement des catons

30 L ANODE est l électrode sur laquelle se produt l OXYDATION COURANT ARRIVE La CATHODE est l électrode sur laquelle se produt la REDUCTION.

31 Électrolyse cuvre / brome L équaton est celle du fonctonnement forcé : Oxydaton à l anode 2 Br - = Br e - Réducton à la cathode Cu e - = Cu Formaton de Br 2 Formaton de Cu Équaton 2 Br - + Cu 2+ = Br 2 + Cu

32 Généralsaton. Lorsqu'un générateur de tenson contnue mpose dans un système chmque un courant de sens nverse à celu qu est observé lorsque le système évolue spontanément (ple), l peut mposer à ce système d'évoluer dans le sens nverse de son sens d'évoluton spontanée Cette transformaton forcée est appelée électrolyse. L'electrode à laquelle se produt une oxydaton est appelée anode L'électrode à laquelle se produt une réducton est appelée cathode.

33 L accumulateur au plomb T. DULAURANS

34 L'accumulateur au plomb Deux électrodes en plomb sont dans une soluton d acde sulfurque Électrode en plomb Électrode en plomb Soluton concentrée d acde sulfurque : 2 H + ; SO 4 2-

35 L'accumulateur au plomb L une des électrodes est recouverte d oxyde de plomb PbO 2 Électrode en plomb recouverte d oxyde de plomb Électrode en plomb Soluton concentrée d acde sulfurque : 2 H + ; SO 4 2-

36 L'accumulateur au plomb Des connecteurs permettent de reler les électrodes à un crcut électrque Électrode en plomb recouverte d oxyde de plomb Électrode en plomb Soluton concentrée d acde sulfurque : 2 H + ; SO 4 2-

37 L'accumulateur au plomb Le fonctonnement met en jeu deux couples rédox PbO 2 /Pb 2+ Pb 2+ /Pb Électrode en plomb recouverte d oxyde de plomb Électrode en plomb Soluton concentrée d acde sulfurque : 2 H + ; SO 4 2-

38 L'accumulateur au plomb Cet accumulateur peut fonctonner de deux façons : Ple Électrolyse transformaton type de dpôle fonctonnement spontanée générateur décharge forcée récepteur charge

39 L'accumulateur au plomb Cet accumulateur peut fonctonner de deux façons : Ple Électrolyse transformaton type de dpôle fonctonnement spontanée générateur décharge forcée récepteur charge

40 L'accumulateur au plomb Cet accumulateur peut fonctonner de deux façons : Ple Électrolyse transformaton type de dpôle fonctonnement spontanée générateur décharge forcée récepteur charge

41 L'accumulateur au plomb Cet accumulateur peut fonctonner de deux façons : Ple Électrolyse transformaton type de dpôle fonctonnement spontanée générateur décharge forcée récepteur charge

42 L'accumulateur au plomb Étude de la décharge Lors de la décharge, l accumulateur se comporte comme une ple.

43 Décharge de l'accumulateur au plomb On rele les bornes par un crcut électrque R ma A COM Électrode en plomb recouverte d oxyde de plomb Électrode en plomb Soluton concentrée d acde sulfurque : 2 H + ; SO 4 2-

44 Décharge de l'accumulateur au plomb L ampèremètre mesure une ntensté postve R ma A COM Électrode en plomb recouverte d oxyde de plomb Électrode en plomb Soluton concentrée d acde sulfurque : 2 H + ; SO 4 2-

45 Décharge de l'accumulateur au plomb Cela permet de défnr les polartés des bornes R ma A COM Électrode en plomb recouverte d oxyde de plomb Électrode en plomb Soluton concentrée d acde sulfurque : 2 H + ; SO 4 2-

46 Décharge de l'accumulateur au plomb Dans le crcut électrque, le courant est du à la crculaton des électrons R ma A COM e - e - Électrode en plomb recouverte d oxyde de plomb Électrode en plomb Soluton concentrée d acde sulfurque : 2 H + ; SO 4 2-

47 Décharge de l'accumulateur au plomb Les électrons sont lbérés par l oxydaton du plomb R ma A e - e - COM 2e - Pb 2+ Pb Oxydaton Pb = Pb e -

48 Décharge de l'accumulateur au plomb Cela consomme le plomb de l électrode R ma A e - e - COM 2e - Pb 2+ Pb Oxydaton Pb = Pb e -

49 Décharge de l'accumulateur au plomb Cela consomme le plomb de l électrode R ma A e - e - COM 2e - Pb 2+ Pb Oxydaton Pb = Pb e -

50 Décharge de l'accumulateur au plomb Les électrons sont consommés par la réducton de l oxyde de plomb R ma A e - e - COM 2e - 2e - PbO 2 Pb 2+ Pb 2+ Pb Réducton PbO H e - = Pb H 2 O Oxydaton Pb = Pb e -

51 Décharge de l'accumulateur au plomb Cela consomme l oxyde de plomb qu recouvre l électrode R ma A e - e - COM 2e - 2e - PbO 2 Pb 2+ Pb 2+ Pb Réducton PbO H e - = Pb H 2 O Oxydaton Pb = Pb e -

52 Décharge de l'accumulateur au plomb Cela consomme l oxyde de plomb qu recouvre l électrode R ma A e - e - COM 2e - 2e - PbO 2 Pb 2+ Pb 2+ Pb Réducton PbO H e - = Pb H 2 O Oxydaton Pb = Pb e -

53 Décharge de l'accumulateur au plomb Cela permet de défnr la nature des électrodes R ma A e - e - COM CATHODE 2e - 2e - ANODE PbO 2 Pb 2+ Pb 2+ Pb Réducton PbO H e - = Pb H 2 O Oxydaton Pb = Pb e -

54 Décharge de l'accumulateur au plomb L équaton est celle du fonctonnement spontané : Oxydaton à l anode Pb = Pb e - borne - Réducton à la cathode PbO H e - = Pb H 2 O borne + Équaton PbO 2 + Pb + 4 H + = 2 Pb H 2 O La décharge de l accumulateur au plomb consomme les soldes des électrodes et des ons H + de l électrolyte (le ph augmente).

55 L'accumulateur au plomb Étude de la charge Lors de la charge, l se produt une électrolyse. Il faut utlser un générateur pour «charger» l accumulateur.

56 Charge de l'accumulateur au plomb On rele les bornes par un crcut électrque contenant un générateur La borne + du générateur est relée à l électrode d oxyde de plomb générateur Électrode en plomb recouverte d oxyde de plomb Électrode en plomb Soluton concentrée d acde sulfurque : 2 H + ; SO 4 2-

57 Charge de l'accumulateur au plomb Le générateur mpose le sens du courant générateur Électrode en plomb recouverte d oxyde de plomb Électrode en plomb Soluton concentrée d acde sulfurque : 2 H + ; SO 4 2-

58 Charge de l'accumulateur au plomb Dans le crcut électrque, le courant est du à la crculaton des électrons e - générateur e - Électrode en plomb recouverte d oxyde de plomb Électrode en plomb Soluton concentrée d acde sulfurque : 2 H + ; SO 4 2-

59 Charge de l'accumulateur au plomb Les électrons sont consommés par la réducton des ons plomb II e - générateur e - 2e - Pb 2+ Pb Réducton Pb e - = Pb

60 Charge de l'accumulateur au plomb Cela forme du plomb solde qu se dépose sur l électrode e - générateur e - 2e - Pb 2+ Pb Réducton Pb e - = Pb

61 Charge de l'accumulateur au plomb Cela forme du plomb solde qu se dépose sur l électrode e - générateur e - 2e - Pb 2+ Pb Réducton Pb e - = Pb

62 Charge de l'accumulateur au plomb Les électrons sont lbérés par l oxydaton des ons plomb II e - générateur e - 2e - 2e - PbO 2 Pb 2+ Pb 2+ Pb Oxydaton Pb H 2 O = PbO H e - Réducton Pb e - = Pb

63 Charge de l'accumulateur au plomb Cela forme de l oxyde de plomb qu se dépose sur l électrode e - générateur e - 2e - 2e - PbO 2 Pb 2+ Pb 2+ Pb Oxydaton Pb H 2 O = PbO H e - Réducton Pb e - = Pb

64 Charge de l'accumulateur au plomb Cela forme de l oxyde de plomb qu se dépose sur l électrode e - générateur e - 2e - 2e - PbO 2 Pb 2+ Pb 2+ Pb Oxydaton Pb H 2 O = PbO H e - Réducton Pb e - = Pb

65 Charge de l'accumulateur au plomb Cela permet de défnr la nature des électrodes e - générateur e - ANODE 2e - 2e - CATHODE PbO 2 Pb 2+ Pb 2+ Pb Oxydaton Pb H 2 O = PbO H e - Réducton Pb e - = Pb

66 Charge de l'accumulateur au plomb L équaton est celle du fonctonnement forcé : Oxydaton à l anode Pb H 2 O = PbO H e - Réducton à la cathode Pb e - = Pb Équaton 2 Pb H 2 O = PbO 2 + Pb + 4 H + La charge de l accumulateur au plomb forme les soldes des électrodes et des ons H + de l électrolyte (le ph dmnue).

67 L'accumulateur au plomb transformaton type de dpôle électrode de Pb électrode de PbO 2 Décharge spontanée ple anode - de la ple cathode + de la ple Charge forcée récepteur cathode relée au - du générateur anode relée au + du générateur

68 L'accumulateur au plomb transformaton type de dpôle électrode de Pb électrode de PbO 2 Décharge spontanée générateur anode - de la ple cathode + de la ple Charge forcée récepteur cathode relée au - du générateur anode relée au + du générateur

69 L'accumulateur au plomb transformaton type de dpôle électrode de Pb électrode de PbO 2 Décharge spontanée générateur anode - de la ple cathode + de la ple Charge forcée récepteur cathode relée au - du générateur anode relée au + du générateur

70 L'accumulateur au plomb transformaton type de dpôle électrode de Pb électrode de PbO 2 Décharge spontanée générateur anode - de la ple cathode + de la ple Charge forcée récepteur cathode relée au - du générateur anode relée au + du générateur

71 Les accumulateurs Il n y a pas que des accumulateurs au plomb. Il exste de nombreux autres types d accumulateurs : - nckel-cadmum (N-Cd) - nckel-hydrure métallque (N-MH) - lthum-on (L-on)... L expresson «ple rechargeable» est souvent utlsée à tort pour désgner un accumulateur. Les batteres comme celle de démarrage des automobles ou celles des téléphones portables sont consttuées de pluseurs accumulateurs assocés en sére (pour augmenter la f.é.m.) et/ou en parallèle (pour augmenter l énerge emmagasnée).

72 6.Applcatons corroson chmque corroson électrochmque Comment évter cec?

73 La roulle est un phénomène naturel qu oxyde le fer à l état d ons Fe 3 + avec transton par l on Fe 2+.En fat Fe 2 O 3, avec passage par Fe(OH) 2, l oxygène étant dans l état O 2- Ce phénomène coûte ben cher à la socété, a commencer par nous, qu repegnons régulèrement nos portals métallques! L oxydant est très souvent l oxygène de l ar en mleu aqueux (humde), les ons clhorures Cl - de l eau de mer (ou provenant du sel déposé sur les routes) accélèrent la corroson.

74 2 types de corroson: La corroson chmque: Due à l acton drecte d un lqude ou d un gaz sur les paros du récpent qu les content. La corroson ne résulte pas d une réacton rédox (électrochmque, transfert d é - ), mas d une réacton chmque (attaque des paros du contenant par le produt). On prévent cela par l utlsaton de matéraux spécfques : verres, plastques, pour le transport de certans acdes par exemple) La corroson électrochmque, qu résulte de réactons rédox: La vapeur d eau de l ar se condense sur le métal en contenant des ons O 2-, Cl - ou des ons métallques M n+, qu consttuent «des ples» avec le métal, entraînant la dssoluton de ce derner.

75 Protectons contre la corroson électrochmque: Évter tout contact avec l oxydant : Pentures et verns Enrobages étanches: L acton de l acde ntrque ou phosphorque sur le fer produt une pellcule étanche qu le protège, méthode utlsée pour les carrosseres auto dte «parkérsaton» On plonge le fer dans un métal lqude plus réducteur, fer galvansé s c est du znc lqude ( dalles pluvales «en znc» ), fer blanc s c est de l étan lqude ( ancens ustensles culnares). Dans ces 2 cas, c est le znc ou l étan qu est oxydé, et pas l acer ou le fer. Mas le znc ou l étan s oxydent beaucoup mons vte Modfcaton du métal, rendu noxydable par addton de chrome, nckel ou ttane ( Cher!)

76 5. Applcatons Fe 2+ Zn 2 + Mg 2 + Protectons contre la corroson électrochmque: Fe -0,44 V Zn -0,76 V Mg -2,37 V Protecton cathodque: On place sur le métal, fer ou acer en général, un morceau d un autre métal plus réducteur ( znc, magnésum par ex). On crée ans une ple. La règle du gamma, montre que chaque fos qu un atome de fer passe sous forme d on On parle d électrode sacrfcelle Fe 2+, l, est ou resttué soluble à : l état Znc de fer Fe pour les coques de navres ou les canalsatons enterrées, Magnésum pour les cumulus ( à changer

77 5. Applcatons Protectons contre la corroson électrochmque: Protecton par courant anodque: C est un procédé coûteux et complexe, mas fort effcace On fat passer un courant dans le métal a protéger, pour cela, on le met sous tenson. Cette mse sous tenson, élève le potentel du couple métal, de quelques volts, le rendant plus oxydant que les corps susceptbles de l oxyder normalement

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