Peut-on inverser le sens d’évolution spontané
d’un système chimique ?
Objectifs
- Montrer qu’il est parfois possible de forcer la transformation d'un système à l'équilibre,
- Montrer qu'il est parfois possible d'inverser le sens d'évolution d'un système chimique et donc de forcer une transformation.
- Illustrer le principe de fonctionnement d’un accumulateur (charge et décharge).
Présentation de la démarche
Une pile cuivre-argent ayant débité un courant jusqu’à son épuisement, montrer qu'en lui imposant un courant électrique, il est
possible d'observer une transformation appelée transformation forcée. ( Attention : ce n’est pas vrai pour toutes les piles ! ! )
Faire circuler un courant électrique d'intensité donnée et mettre en évidence la formation d’un produit lors de cette transformation
forcée.
Introduire les notions relatives à l'électrolyse : définition d’une électrolyse, réactions aux électrodes, anode, cathode.
Montrer qu'après arrêt du courant imposé, le système chimique évolue selon le sens spontané et que lorsque qu'on impose à nouveau le
courant, il évolue dans le sens inverse du sens spontané.
Illustrer ainsi la charge et la décharge d'un accumulateur à l'aide de ce dispositif
Matériel et produits
Générateur de tension continue réglable
Multimètre
Béchers
Pont salin au nitrate de potassium
Eprouvettes de 10 mL
Pipette pasteur
Fils de connexion
Interrupteur à 3 positions
Fil d'argent
Fil de cuivre
Solution de sulfate de cuivre(II), Cu2+ +
, de
concentration molaire 1,0 mol.L-1
Solution de nitrate de potassium, K++
, de concentration
molaire 1,0 mol.L-1
Solution de chlorure de sodium saturée
Fabrication d’une pile « usée »
On considère une pile Argent/Cuivre comme ci-dessous.
⊖ Cu(s) / (Cu2+(aq)+
(aq)) 0,5 mol.L-1// K+(aq)+NO
(aq)// (Ag+(aq)+
(aq)) 1,0 mol.L-1 / Ag(s) ⊕
Si cette pile, de fem égale à 0,45V environ au départ, débite du courant, la concentration en Ag+ décroît et celle en Cu2+ augmente
jusqu’à 1 mol/L environ. La fem décroît et lorsque sa valeur s’annule, le système a atteint l'état d'équilibre.
A ce moment QR =
2éq. 15
r,éq. 2
éq.
[Cu ] 2,1.10
[Ag ]
QK
(*) ce qui donne : [Ag+]éq. = 2,2.10-8 mol.L-1
Pour obtenir cette pile usée, on peut soit attendre l’usure de la pile ( quelques dizaines d’heures ! ! ! ) soit la « fabriquer ». Mais
contrôler une concentration de 10-8mol/L n’est pas simple.
En fait, il suffit de ne pas ajouter d’ions Ag+ du tout dans le compartiment A contenant l’électrode d’argent. On obtient donc la pile
Cu(s) / (Cu2+(aq)+
(aq)) 0,5 mol.L-1// K+(aq)+NO
(aq)// (K+(aq)+
(aq)) 1,0 mol.L-1 / Ag(s)
Puis on court-circuite cette « pile ». Un très faible courant circule. Ce courant devient rapidement nul car les traces d’ions Ag+ se
forment très vite. On a obtenu notre pile usée. (**)
(*) N.B. Cette expression de QR correspond à la réaction écrite ainsi : 2Ag+(aq) + Cu(S) = 2Ag(S) + Cu2+(aq)
On peut noter que QR,i = 0,5 ( sans unité ) << K . Donc le système évolue dans le sens direct, donnant Ag et Cu2+.
(**) Normalement, ce courant devrait circuler en sens inverse du courant débité par la pile classique, pour former les
4,4.10-8 mol/L d’ions Ag+ qui conduiront à l’équilibre. En effet, QR,i est cette fois non défini, ou infini si on veut, puisque [Ag+]i est
nul.
En fait, des traces d’impureté ou une simple différence de pH entre les compartiments peuvent inverser le sens attendu pour ce
courant.