Chimie et énergie : première partie

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1 Chimie et énergie : première partie 1. De l énergie pour faire de la chimie Film extraction et raffinage du cuivre à partir de la mine de Chukikamata Chili (700000t/an) Les utilisations du cuivre o Cuivre natif utilisé >5000 BC ; étymologie Chypre o transport eau, gaz, électricité, données, piles, circuits électroniques, monnaies, bronze, laiton, cupronickel (naval) o Ductilité, malléabilité, propriétés bactéricides, recyclable car très résistant à la corrosion Détail et justification des étapes de l extraction et du raffinage Sur Cu 2 S : broyage (< 40m) bullage et flottaison grillage (1200 C à 50% O 2, on obtient une «mate») Conversion (à 1200 C aussi, on obtient un blister de Cu pur à 99,97% qu on moule) Purification électrolytique Cu pur à 99,99% Etude des termes clé de l oxydoréduction à connaîtreo Oxydant, réducteur, réaction redox, réduction (de l oxydant), oxydation (du réducteur), électrolyte, pont salin, anode, cathode. o Le réducteur est oxydé, l oxydant est réduit o Il y a oxydation à l anode et réduction à la cathode L électrolyse : détail Application 1 : calcul de l énergie nécessaire pour purifier 1t de cuivre 2. Les piles : de la chimie pour faire de l énergie Estce Simon qui génère cette tension électrique? 01/12/2015 p. 1

2 Application 1 Données préalables : capacité et Faraday Lorsque des électrons circulent dans un conducteur, on peut mesurer l intensité I du courant électrique généré. Q est la charge électrique totale qui a circulé pendant une durée t. Q = I t ; [Q] = C (Coulomb), [I] = A, [ t] = s Le Faraday est la charge d une mol d électrons soit F = N A x e = 6,02 x 1023 x 1,6 x = n.b. Lorsqu on parle de la charge totale Q que peut débiter une pile ou un accumulateur on utilise improprement le terme de «capacité de la pile» Bref, quand 1 mol d électrons circule, ça correspond à F coulombs et donc par exemple 2,3 coulombs correspondent à 2,3 F mol d électrons Bon.. et donc si on fait circuler 10A dans un circuit pendant 1h (soit s), ça correspond à mol d électrons Et si chaque fois qu un atome de cuivre s oxyde, il perd deux électrons et lorsqu un ion cuivre se réduit, il capte deux électrons Et si 1 mol de cuivre est purifiée, mol d électrons ont circulé Et donc pour purifier 1t de cuivre en 1h, quelle intensité du courant et quelle quantité d énergie en J et kwh? Allez!! Application2 : d autres piles (pile Daniell, pile Volta, pile saline, pile alcaline, pile à combustible, accumulateur au plomb, accumulateur lithiumion, accumulateur nickelmétal hydrure) Doc1 : Pile Daniell (animation piledaniell.swf) cijoint Doc2 : animation pile à combustible. Cijoint Doc3 : piles salines et alcalines (schémas et photos) Doc4 : Séries électrolytiques (liste) Doc5 : Equilibrer les équations REDOX (TD) Tâche : o Prendre connaissance des docs, y compris les animations (doc1 et 2) o Refaire soigneusement les exemples proposés doc5 o Docs 1 à 3 : identifier l oxydant, le réducteur et équilibrer l équation redox à l aide des docs 4 et 5 o Choisissez un accumulateur au choix à présenter à tout le monde dans la technologie, la théorie (équations redox) et les utilisations entre accumulateur au plomb, accumulateur lithiumion, accumulateur nickelmétal hydrure. Recommandations : o o Notez ce qui vous pose problème et mentionnezle dans votre document N hésitez pas à me contacter par mail si question ponctuelle ou blocage 01/12/2015 p. 2

3 Doc3 : Les bonnes vieilles piles Piles salines : en milieu acide L oxyde de manganèse MnO 2 est l oxydant (couple MnO 2 /Mn 2+ ). Le contact électrique avec l oxydant se fait grâce à la tige en graphite (cathode +, reliée au bouton métallique). De plus MnO 2 en poudre est mélangé à du graphite. Le zinc est à la fois l enveloppe de la pile et le réducteur (couple Zn 2+ /Zn). En contact direct avec le dessous (anode ) L électrolyte est la pâte de chlorure d ammonium (NH 4 + +Cl ). C est un sel acide : d où le nom de pile saline La forme cylindrique permet d obtenir une grande surface de contact entre oxydant, électrolyte et réducteur On obtient une tension de 1,5V : une pile 4,5V est l association de 3 piles 1,5V en série C est M Leclanché qui a inventé cette pile en 1867 qui avait l avantage de pas contenir de liquide! Piles alcalines : en milieu basique (alcalin) L oxyde de manganèse est toujours l oxydant mais réparti autour du zinc. Le contact électrique est l enveloppe en acier. L électrolyte est un gel contenant de la potasse (K + + HO ) donc basique (d où pile alcaline) mélangé au zinc est à la fois l enveloppe de la pile et le réducteur (couple Zn 2+ /Zn). Ce gel peut se transformer en un liquide très corrosif (la pile «coule») Le contact du réducteur Zn avec la borne négative (anode car oxydation) se fait grâce à un collecteur en acier qui ressemble à un clou. 01/12/2015 p. 3

4 oxydants de plus en plus forts Réducteurs de plus en plus forts Doc4 : Les séries électrochimiques Extrait Les oxydants ( côté gauche) Les réducteurs (côté droit) L ion Ag+ est.. que le cuivre Le zinc Zn est.. Fe 3+ que l ion Le meilleur oxydant réagit prioritairement avec le meilleur réducteur présent oxydants de plus en plus faibles Réducteur de plus en plus fort 01/12/2015 p. 4

5 Doc5 : Comment équilibrer les équations REDOX Prenons un exemple compliqué : la réaction de l ion permanganate MnO 4 avec le fer métallique Fe MnO 4 est le meilleur oxydant et va réagir avec le meilleur réducteur présent Fe pour donner respectivement Mn 2+ et Fe 2+ mais ce n est pas si simple à équilibrer. Il faut toujours respecter la procédure suivante : On équilibre chaque «demiéquation» séparément : MnO 4 =Mn 2+ et Fe = Fe 2+ Résultat Qu estce qu on fait? 1 MnO 4 = Mn 2+ On équilibre les éléments qui ne sont ni O ni H Là c est déjà fait (Mn) 2 MnO 4 = Mn H 2 O On équilibre O avec H 2 O 3 MnO 4 +8H + = Mn H 2 O On équilibre H avec H + 4 MnO 4 + 8H + + 5é = Mn H 2 O On équilibre les charges avec des électrons é ( ici 2+ à droite donc on rajoute 5 pour avoir +81 5=+2) 1,2,3 Fe = Fe é Pas d étape 1,2,3 ici car pas de O ni H 5 (MnO 4 + 8H + + 5é = Mn H 2 O)x2 Même nombre d é donnés et captés donc on (Fe = Fe é )x5 multiplie la première ½ équation par deux et la deuxième par 5 car 2x5=10!! 6 2MnO H + +10é+5Fe = 2Mn Fe é +8H 2 O Si tout est bon, on a le même nombre d é de chaque coté.. qu on simplifie On simplifie aussi les H + quand c est possible (7) MnO 2 +4 H + = Mn H 2 O MnO 2 +4 H + +4 HO = Mn H 2 O+ HO MnO 2 +4 H 2 O = Mn H 2 O+ HO MnO 2 +2 H 2 O = Mn 2+ + HO Si on travaille en milieu basique, il y a beaucoup de HO mais pas beaucoup de H + donc on équilibre d abord avec H + puis on rajoute le même nombre de HO de chaque côté (ex avec MnO 2 /Mn 2+ ) H + + HO H 2 O car la réaction est totale (K=1/Ke) Bon ben c est à vous! L ion dichromate Cr 2 O 2 7 est un très bon oxydant (dont le solide sous forme de dichromate de potassium est malheureusement un rien cancérigène). Faisons le réagir avec l aluminium Al. L eau oxygénée H 2 O 2 réagit.. avec ellemême! Elle est donc instable, on dit qu elle se dismute (c est pour ça qu on la garde au frais) Dans les phénomènes d oxydation, c est souvent l ion H + qui intervient, pour corroder les métaux, par exemple le fer Fe. 01/12/2015 p. 5

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