Cours - PhyZik

Chapitre 17
Piles et oxydoréduction
I – Réactions d’oxydoréduction
1) Exemples
 Une lame de zinc est plongée dans une solution de sulfate de cuivre.
 La solution est partiellement décolorée : les ions 𝐶𝑢2+ sont consommés
 Précipité blanc avec de la soude : il s’est donc formé des ions 𝑍𝑛2+.
 Dépôt métallique rougeâtre sur la lame de zinc : il se forme du cuivre 𝐶𝑢.
𝐶𝑢2+ + 𝑍𝑛 → 𝐶𝑢 + 𝑍𝑛2+
𝑍𝑛 perd deux électrons : 𝑍𝑛 → 𝑍𝑛2+ + 2𝑒 −
𝐶𝑢2+ gagne deux électrons : 𝐶𝑢2+ + 2𝑒 − → 𝐶𝑢
Il y a eu transfert d’électrons entre les deux réactifs.
 Une lame de cuivre est plongée dans une solution de nitrate d’argent.
 La solution bleuit et se forme un précipité bleu avec de la soude : formation d’ions 𝐶𝑢2+.
 Dépôt métallique sur la lame de cuivre : arbre de Diane, métal 𝐴𝑔.
2𝐴𝑔+ + 𝐶𝑢 → 2𝐴𝑔 + 𝐶𝑢2+
𝐶𝑢 perd deux électrons : 𝐶𝑢 → 𝐶𝑢2+ + 2𝑒 −
𝐴𝑔+ gagne un électron : 𝐴𝑔+ + 𝑒 − → 𝐴𝑔
Une réaction d’oxydoréduction est caractérisée par un transfert d’électron.
2) Couple oxydant-réducteur
Un oxydant est une espèce chimique (atome, ion ou molécule) capable de capter au moins un électron (ex : 𝐶𝑢2+ )
𝐶𝑢2+ + 2𝑒 − → 𝐶𝑢 dans 
Un réducteur cède au moins un électron (ex : 𝐶𝑢)
𝐶𝑢 → 𝐶𝑢2+ + 2𝑒 − dans 
+
𝐴𝑔 ⁄
Couple oxydant réducteur : 𝐶𝑢 ⁄𝐶𝑢
Autres exemples : 𝑍𝑛 ⁄𝑍𝑛 ,
𝐴𝑔
3) Demi-équation
𝐶𝑢2+ + 2𝑒 − → 𝐶𝑢
ou
𝐶𝑢 → 𝐶𝑢2+ + 2𝑒 −
Les transformations inverses sont possibles pour chaque couple oxydant-réducteur.
On utilise donc une demi-équation :
𝐶𝑢2+ + 2𝑒 − = 𝐶𝑢
Soit
𝑂𝑥 + 𝑛. 𝑒 − = 𝑅𝑒𝑑
Remarque : réaction rédoxe
𝑀𝑛𝑂4−
𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛𝑎𝑡𝑒
⁄
Cas particulier : Couples oxygénés
⁄𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛è𝑠𝑒
𝑀𝑛 2+
−
2+
𝑀𝑛𝑂4 = 𝑀𝑛
i.
Conservation de 𝑀𝑛 :
𝑀𝑛𝑂4− = 𝑀𝑛 2+
ii.
Conservation de 𝑂 à l’aide de molécules d’eau 𝐻2 𝑂 :
𝑀𝑛𝑂4− = 𝑀𝑛 2+ + 4𝐻2 𝑂
iii.
Conservation de 𝐻 à l’aide d’ions 𝐻 + :
𝑀𝑛𝑂4− + 8𝐻 + = 𝑀𝑛 2+ + 4𝐻2 𝑂
iv.
Conservation de la charge à l’aide d’𝑒 − :
𝑀𝑛𝑂4− + 8𝐻 + + 5𝑒 − = 𝑀𝑛 2+ + 4𝐻2 𝑂
𝐶𝑟 𝑂2−
Autre ex : couple : 2 7 ⁄ 3+
𝐶𝑟2 𝑂72− + 14𝐻 + + 6𝑒 − = 2𝐶𝑟 3+ + 7𝐻2 𝑂
𝐶𝑟
II – Les piles
2+
2+
Acti – Exemples de piles
1) Fonctionnement d’une pile
e
e
Zoom
2e

Cu
Cu (s)
e
I
I

(aq)
2
(aq)
e
Cu

Cl
K
Pont salin
e
2
(aq)
e
Zoom

(aq)
e
2 e

e
2
Fe(aq)
Cu (s)

SO24(aq)
2
Fe(aq)
Fe (s)
Fe (s)

SO24(aq)
Electrode
de cuivre
Solution électrolytique
de sulfate de cuivre II
Electrode
de fer
Solution électrolytique
de sulfate de fer II
Une pile est un générateur électrochimique qui transforme l’énergie chimique en énergie électrique.
Il s’y produit une réaction d’oxydoréduction.
Au pôle négatif de la pile (anode) se produit une oxydation. Des électrons sont libérés :
𝐹𝑒 → 𝐹𝑒 2+ + 2𝑒 −
Les électrons qui arrivent au pôle positif (cathode) sont captés. Il s’y produit une réduction :
𝐶𝑢2+ + 2𝑒 − → 𝐶𝑢
A l’intérieur de la pile, le passage du courant est assuré par des ions. Le pont salin constitue une jonction
électrolytique entre les deux compartiments de la pile.
2+
2+
La réaction est : 𝐹𝑒(𝑠) + 𝐶𝑢(𝑎𝑞)
→ 𝐹𝑒(𝑎𝑞)
+ 𝐶𝑢(𝑠)
2) Différents types de piles
Pile saline :
 Date de la découverte : Mise au point par Georges Leclanché en 1866
 Précisez l’oxydant et le réducteur ainsi que le couple correspondant à
2+
chaque demi-équation redox ? 𝑍𝑛 ⁄𝑍𝑛 avec 𝑍𝑛 à l’anode et 𝑀𝑛𝑂 à la
𝑀𝑛𝑂2
cathode
⁄𝑀𝑛𝑂(𝑂𝐻)



Ecrire l’équation d’oxydoréduction.
𝑍𝑛 + 2𝑀𝑛𝑂2 + 2𝐻 + → 𝑍𝑛2+ + 2𝑀𝑛𝑂(𝑂𝐻)
Expliquez le choix de l’électrolyte : Le chlorure d’ammonium (𝑁𝐻4+ +
𝐶𝑙 − ) permet d’apporter des ions 𝐻 + nécessaires à la réaction
Que représente la f.e.m. ? C’est la tension maximale délivrable par la
pile.
Pile alcaline :





Date de la découverte : Mise au point par Georges Leclanché en 1866
Précisez l’oxydant et le réducteur ainsi que le couple correspondant à
2+
chaque demi-équation redox ? 𝑍𝑛 ⁄𝑍𝑛 avec 𝑍𝑛 à l’anode et 𝑀𝑛𝑂 à la
𝑀𝑛𝑂2
cathode
⁄𝑀𝑛𝑂(𝑂𝐻)
Ecrire l’équation d’oxydoréduction.
𝑍𝑛 + 2𝑀𝑛𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 → 𝑍𝑛(𝑂𝐻)2 + 2𝑀𝑛𝑂(𝑂𝐻)
Expliquez le choix de l’électrolyte : Solution d’hydroxyde de sodium
(𝑁𝑎+ + 𝐻𝑂− ) permet d’apporter des ions 𝐻𝑂− nécessaires à la réaction
Quel sont les avantages de cette pile ?
Fonctionne à basse température (jusqu'à -30°C)
Faible résistance interne ; grande densité d'énergie.
Hermétique : la pile alcaline ne peut pas couler.
Pile à combustible :
C’est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une
électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la
réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air.
 Ecrire l’équation d’oxydoréduction.
2x(
𝐻2 = 2𝐻 + + 2𝑒 − )
oxydation à l’anode
𝑂2 + 4𝐻 + + 4𝑒 − = 2𝐻2 𝑂
réduction à la cathode
𝑂2 + 2𝐻2 → 2𝐻2 𝑂
Le combustible est le dihydrogène.
3) Une pile rechargeable : l’accumulateur
Acti Bordas p 350
 Une lame de cuivre est plongée dans une solution de chlorure de zinc.
 Pas de réaction.
La réaction : 𝐶𝑢2+ + 𝑍𝑛 → 𝐶𝑢 + 𝑍𝑛2+ est possible (voir I) mais l’inverse de l’est pas.
Les réaction d’oxydoréduction ne sont pas naturellement réversibles. Pour ce faire, il faut lui apporter de l’énergie
électrique à l’aide d’un générateur de manière à régénérer les réactifs.
C’est le principe de l’hydrolyse ou encore de recharge d’une pile qui
était électriquement usée.
Les accumulateurs ou piles rechargeables peuvent être rechargés
électriquement.
Ex : Batterie de voiture au plomb :
A la borne positive: 𝑃𝑏𝑂2 + 𝑆𝑂42− + 4𝐻 + + 2𝑒 − = 𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻2 𝑂
A la borne négative: 𝑃𝑏 + 𝑆𝑂42− = 𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝑒 −
Bilan électrochimique: 𝑃𝑏𝑂2 + 2𝑆𝑂42− + 4𝐻 + + 𝑃𝑏 → 2𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻2 𝑂
Pendant la charge, la réaction se déroule dans le sens inverse et les
réactifs sont régénérés. La f.é.m E est de l'ordre de 2V.
Matériel Oxydoréduction :
Par poste :
2 Béchers 100 mL
4 tubes à essais
entonnoir+ filtre
poudre de zinc, tournure de cuivre
solutions ioniques à 0,5mol/L de sulfate de cuivre, de
zinc
Compte gouttes avec soude.
Matériel Oxydoréduction :
Par poste :
2 Béchers 100 mL
4 tubes à essais
entonnoir+ filtre
poudre de zinc, tournure de cuivre
solutions ioniques à 0,5mol/L de sulfate de cuivre, de
zinc
Compte gouttes avec soude.
Matériel Oxydoréduction :
Par poste :
2 Béchers 100 mL
4 tubes à essais
entonnoir+ filtre
poudre de zinc, tournure de cuivre
solutions ioniques à 0,5mol/L de sulfate de cuivre, de
zinc
Compte gouttes avec soude.
Matériel Oxydoréduction :
Par poste :
2 Béchers 100 mL
4 tubes à essais
entonnoir+ filtre
poudre de zinc, tournure de cuivre
solutions ioniques à 0,5mol/L de sulfate de cuivre, de
zinc
Compte gouttes avec soude.
Matériel Oxydoréduction :
Par poste :
2 Béchers 100 mL
4 tubes à essais
entonnoir+ filtre
poudre de zinc, tournure de cuivre
solutions ioniques à 0,5mol/L de sulfate de cuivre, de
zinc
Compte gouttes avec soude.
Au bureau :
Lame de Zinc
Lame de Cu
2 béchers 100 mL
Au bureau :
Lame de Zinc
Lame de Cu
2 béchers 100 mL
Au bureau :
Lame de Zinc
Lame de Cu
2 béchers 100 mL
Au bureau :
Lame de Zinc
Lame de Cu
2 béchers 100 mL
Au bureau :
Lame de Zinc
Lame de Cu
2 béchers 100 mL