Stockage et conservation de l`énergie chimique - leprof

Chap. 14
Stockage et conservation de l’énergie chimique
I- Energie de combustion
1- La combustion
L'énergie chimique est une forme d'énergie associée aux liaisons que réalisent les atomes au sein des entités
qu'ils constituent.
Un système chimique siège d'une réaction chimique est l'objet d'une variation d'énergie chimique E,
dépendant du type et du nombre des liaisons rompues et formées au cours de la réaction.
Pour rompre une liaison, il faut fournir de l'énergie à un réactif. Inversement, la création d'une liaison libère de
l'énergie.
Toute réaction de combustion d'un combustible convertit de l'énergie chimique en énergie sous forme
thermique.
2- Aspect énergique
Une réaction de combustion est toujours exothermique :
le système chimique en combustion libère de l'énergie.
On parle alors d'énergie libérée par une réaction de combustion.
On appelle énergie molaire de combustion l'énergie libérée par
mole de combustible consommé : notée Em,comb, elle peut
s'exprimer en J.mol-1.
L'énergie libérée par la combustion complète d'une quantité n de
combustible, si le dioxygène est en excès est donc :
Elibérée = nEm,comb
Combustible
méthane
diesel
octane
huile de maïs
huile de colza
éthanol
charbon
bois
Énergie transférée (kJ.g-1)
51
45
45
40
39
27
24
17,5
La combustion d'un combustible fossile transfère au milieu extérieur, sous forme thermique, une énergie de
l'ordre de 103 à 104 kJ.mol-1.
3- Impact des combustions
Par ses activités industrielles et domestiques, l'Homme est la principale source de modification des équilibres
climatiques et de la pollution atmosphérique. C'est principalement l'extraction et l'usage des combustibles
fossiles qui en sont responsables
• L'effet de serre est un phénomène naturel. Les gaz « à effet de serre » (principalement l'eau, le dioxyde de
carbone CO2, le méthane CH4, le protoxyde d'azote N2O ou encore l'ozone O3) absorbent une partie du
rayonnement solaire réfléchi par la Terre, ce qui conduit à une augmentation de la température de l'atmosphère.
Cet effet de serre est nécessaire à la viabilité de notre planète.
Toutefois, à cet effet de serre naturel vient s'ajouter un effet de serre anthropique, dû à la production de gaz à
effet de serre par l'Homme, qui augmente la température sur Terre et modifie les équilibres climatiques.
L'augmentation de l'effet de serre est principalement due au dioxyde de carbone, issu de la combustion des
combustibles organiques.
• Les pluies acides sont dues aux divers oxydes issus de combustions. Parmi ces oxydes, le dioxyde de soufre
SO2 et les oxydes d'azote forment les acides sulfurique et nitrique en se dissolvant dans l'eau de l'atmosphère.
Les pluies acides qui en résultent dégradent les écosystèmes et les bâtiments.
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4- Masse de dioxyde de carbone d’un véhicule
La combustion d’un alcool ou d’un hydrocarbure produit du CO2 qui est un gaz à effet de serre.
Comment estimer la masse de CO2 rejetée par un véhicule ?
- déterminer la quantité de combustible consommé
- en supposant la combustion complète, écrire l’équation.
- calculer l’avancement maximal, en considérant le dioxygène de l’air en excès.
- en déduire la quantité, puis la masse de CO2 produit
II- Oxydoréduction
1- Oxydant et réducteur
a) Définitions
Un oxydant est une espèce chimique susceptible de capter au moins un électron
Un réducteur est une espèce chimique capable de céder au moins un électron
b) Couple
Les espèces Ox et Réd sont conjuguées et forment un couple Oxydant / réducteur noté Ox / Réd.
Il peut être défini par la demi-équation
Ox + n e- Réd
L’oxydation correspond à une perte d’électrons et une réduction à un gain d’électrons.
c) Ecriture de la demi équation en milieu acide
Ecriture du couple : HClO(aq)/Cl2(g)
Ajustement de l’élément chimique commun :
2 HClO(aq) = Cl2(g)
stœchiométrie de l’élément O :
2 HClO(aq) = Cl2(g) + 2 H2O
stœchiométrie de l’élément H :
2 HClO(aq) + 2 H+(aq) = Cl2(g) + 2 H2O
Equilibre des charges :
2 HClO(aq) + 2 H+(aq) + 2 e- = Cl2(g) + 2 H2O
2- Réaction d’oxydoréduction
a) Définition
Une réaction d’oxydo-réduction résulte du transfert d’électrons du réducteur Red1 d’un couple Ox1/Red1 à
l’oxydant Ox2 d’un autre couple Ox2/Red2.
a Red1 + b Ox2  cOx1 + d Red2
b) Principe
Identifier les réactifs et les produits et déterminer les deux couples mis en jeu.
Ecrire les deux demi équations l’une sous l’autre avec les réactifs à gauche et les produits à droite.
Multiplier l’une et/ou l’autre demi équation pour pouvoir annuler les électrons dans l’équation bilan
Remarque : dans les demi équations il doit y avoir des électrons à droite ET à gauche, ils ne peuvent pas être
tous du même coté.
Additionner membre à membre et faire les simplifications nécessaires.
VERIFIER QUE L’EQUATION EST EQUILIBREE
Aucun électron ne doit se trouver dans l'équation bilan
c) Exemple
Dans un tube à essais contenant du sulfate de fer II versons goutte à goutte du permanganate de potassium
La solution se décolore et le contenu du tube divisé en deux, l’un donne un précipité rouille avec de la soude,
l’autre un précipité blanc insoluble en excès d’hydroxyde de zinc.
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Les réactifs sont l’ion fer II et l’ion permanganate et les produits sont le fer II et l’ion manganèse
Les couples Fe3+/Fe2+ et MnO4-/Mn2+
Les demi équations
Fe2+(aq) = Fe3+(aq) + eMnO4-(aq) + 8 H+(aq) + 5 e- = Mn2+(aq) + 4 H2O
On multiplie la première demi équation par 5
5 ( Fe2+(aq) = Fe3+(aq) + eMnO4-(aq) + 8 H+(aq) + 5 e- = Mn2+(aq) + 4 H2O
MnO4 (aq) + 8 H+(aq) + 5 Fe2+(aq)
Mn2+(aq) + 4 H2O + 5 Fe3+(aq)
3- Pile et oxydoréduction
a) Transfert indirect d’électrons
Une pile est le siège d’une réaction d’oxydo réduction entre deux couples redox, une pile est un générateur
électrochimique, qui permet de produire de l'énergie électrique à partir d'une réaction chimique.
Le transfert des électrons entre l’oxydant d’un couple et le réducteur de l’autre s’effectue par le circuit
électrique, pas directement dans le milieu réactionnel.
b) La pile Daniell
La pile Daniell contient deux compartiments.
Le premier, une lame de cuivre dans une solution de sulfate de cuivre.
Le second, une plaque de zinc dans une solution de sulfate de zinc.
Les deux lames sont les électrodes.
Suivant le montage :
- Soit les deux solutions sont séparées par une paroi poreuse à travers laquelle les ions peuvent passer mais pas
les solutions.
- Soit les deux solutions sont reliées entre elle par un pont salin, ou pont
électrolytique, tube en U contenant une solution gélifiée d'agar-agar concentrée
en KCl ou KNO3
Le courant à l'extérieur, va du pôle + vers le pôle - donc la borne + de la pile est le cuivre, le zinc constituant la
borne Dans les béchers et le pont salin, les porteurs de charge sont des ions, alors que dans le circuit extérieur et les
bornes métalliques ce sont des électrons qui se déplacent de l’électrode de zinc vers l’électrode de cuivre.
c) Réactions aux électrodes
A l'électrode de zinc :
Zn2+ + 2 eZn
A l'électrode de cuivre :
Cu2+ + 2 eCu
D’après la circulation des électrons, le zinc libère les électrons dans le circuit il s’oxyde, alors que les ions
Cu2+ captent les électrons pour être réduits. Le bilan est donc :
Cu2+ + Zn
Zn2+ + Cu
La réaction naturelle entre le cuivre et le zinc se produit lorsque la pile débite un courant dans le circuit
extérieur, c'est-à-dire quand les électrons vont migrer d'un récipient vers un autre par le métal et les fils.
La concentration en Zn2+ augmente alors que celle en Cu2+ diminue.
L'électroneutralité est préservée grâce au courant ionique qui traverse le pont de jonction.
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III- Piles et accumulateurs
1- Les piles salines
Ce sont des piles dites de type Leclanché.
- Récipient métallique en zinc qui constitue la borne - Une pâte gélatineuse blanche : amidon ou
gel NH4+,Cl- et / ou Zn2+,2 Cl- constitue l'électrolyte.
- Une couronne de poudre noire entourant l'électrode de
graphite : du dioxyde de manganèse mélangé à du
graphite et du noir de carbone pour le rendre plus
conducteur.
2- Les piles alcalines
Les bases étaient appelées alcalis
- Un boîtier métallique en contact avec une poudre noir
(MnO2)
- Un sac en fibres plastiques : séparateur
- Un gel en contact avec une tige métallique (le gel
contient de la poudre de zinc) : la borne –
- L'électrolyte (K+, OH-) imprègne les constituants
précédents.
4- Caractéristiques des piles
a- La force électromotrice
f.e.m notée E. C'est la tension mesurée à vide, exprimée en Volt (V).
b- La capacité
Q est la quantité d'électricité que le générateur peut fournir, c'est aussi la charge maximale que peut faire
circuler le générateur.
Q s'exprime en coulomb (C)
Q = I . t
Dans le commerce la capacité s'exprime en Ampère-heure
1 A en 1h = 1 A en 3600 s = 3600 C
1 Ah = 3600 C
c- L'énergie
Notée W elle est de plusieurs types et elle s'exprime en joule
- L'énergie totale emmagasinée Wt = E.I.t = E.Q
- L'énergie utile Wu = UPN . Q
si r est petit Wu  Wt
Wt = Wu + WJ ou WJ est l'énergie dissipée par effet Joule
- L'énergie massique et volumique
Wm = Wt / m et Wv = Wt / V
Wm en J.kg-1 commerce Wh.kg-1
vérifier que LR03 Wm = 143 Wh.kg-1
-3
-3
Wv en J.m commerce Wh.m
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5- Les accumulateurs
a) Caractéristiques
Les accumulateurs modernes sont de deux types : les accumulateurs au plomb et les accumulateurs cadmium /
nickel.
Les premiers sont des parallélépipèdes lourds contenants des plaques de plomb dans une solution acide.
L'électrolyte pH < 1 , une réaction positive aux ions Ba2+ et Ag+ montre la présence d'ions SO42La borne - est constituée de 6 plaques de plomb spongieux
La borne + est constituée de 5 plaques de dioxyde de plomb PbO2 le tout est dans une solution d'acide
sulfurique concentrée ( 6 mol.L-1)
Les seconds sont des accumulateurs alcalins, ils comportent deux plaques
- borne - : toile métallique acier nickelé recouvert de nickel poreux imprégné d'une pâte contenant du cadmium.
- borne + toile identique imprégnée d'oxyde de nickel III hydraté NiO(OH)
Séparées par un feutre synthétique
- l'électrolyte imbibant le tout est de KOH 5 mol.L-1.
b) Principe
Un accumulateur est un dispositif électrochimique dont la réaction de fonctionnement peut être renversée.
La capacité Q = I . t
La capacité des accumulateurs est supérieure à celle des piles.
La f.e.m. E pour les accus au Pb 6, 12 ou 24 V, leur résistance interne est plus faible que celle des piles, et la
f.e.m. est constante pour les faibles intensités
La puissance chimique totale P en watt
Pt = E . I
La puissance utile Pu = UPN . I
La durée de vie est d'autant plus importante que la décharge est moindre.
6- Les piles à combustible
C'est une pile qui met en jeu la réaction de combinaison d'un comburant et d'un combustible. L'énergie libérée
est alors transformée en énergie électrique. L'énergie n'est pas stockée comme dans les piles ou les
accumulateurs, sa fourniture cesse quand les débits de combustible et de comburant cesse.
La plus utilisée est la pile à combustible H2 et à comburant O2 ou air.
La réaction qui se produit dans la pile est H2 + 1/2 O2
H2O
Les électrodes sont en nickel poreux. La durée de vie est à peu près d'un an en fonctionnement continu.
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