SENS DE REACTIONS DE SYSTEMES CHIMIQUES

SENS DE REACTIONS DE SYSTEMES CHIMIQUES
LA PILE / L’ELECTROLYSE
I – Sens de réaction d’un système
(voir méthode Quotients de réactions)
Spontanément,
- Si Qr,i < K, alors la réaction aura lieu dans son sens direct.
- Si Qr,i > K, alors la réaction aura lieu dans son sens indirect (ou inverse).
- Si Qr,i = K, alors le système est dans son état d’équilibre.
On peut toutefois forcer des réactions chimiques à évoluer dans un sens contraire au sens
spontané d’évolution : c’est le cas de l’électrolyse.
II – Un réaction spontanée : La pile
1) Elaboration d’une pile
a. Avec contact :
Dans un bécher, une barre de cuivre et une barre de zinc baignent dans une solution de Cu2+ et
de Zn2+. On observe une réaction spontanée. Il y a un transfert d’électrons au niveau du
contact entre la plaque de zinc et la solution.
Cu2+ (aq) + Zn (s) → Cu (s) + Zn2+ (aq)
b. Sans contact :
On réalise le montage suivant :
Une barre de Cuivre dans une solution de (Cu2+,SO42-)
Une barre de Zinc dans une solution de (Zn2+,SO42-)
On place entre les deux béchers un pont salin conducteur imbibé de (K+,NO3-)
A
R
PROTEGER L’AMPEREMETRE
MESURER LE COURANT
PONT SALIN
ZINC
CUIVRE
On observe sur l’ampèremètre un courant positif. Des électrons circulent donc dans la pile.
On note sur le schéma suivant les interprétations du déplacement des charges et du courant.
A
R
e-
e-
i
A
i
Cu
NO3-
i
COM
i
Zn
K+
Cu2+
SO42-
Zn2+
SO42-
A l’aide du sens du courant, on peut polariser la pile. Le courant va du pôle positif (le cuivre
ici) vers le pôle négatif (le zinc ici) à l’extérieur de la pile (sens conventionnel du courant aux
bornes d’un générateur). A l’intérieur de la pile, ce sens est inversé. Les cations suivent le
courant et les anions vont dans le sens des électrons.
A l’aide du sens des électrons, on réalise les demies équations aux pôles de la pile :
Pole positif : Cu2+ (aq) + 2e- = Cu (s)
C’est une réduction.
Pole négatif : Zn (s) = Zn2+ (aq) + 2e-
C’est une oxydation
2+
2+
L’équation totale de la pile est Cu (aq) + Zn (s) → Cu (s) + Zn
(aq)
c. Constitution de la pile :
Les pôles de la pile sont appelés électrodes positives et négatives.
La pile est aussi constituée de solutions électrolytiques et de matériaux conducteurs reliant
les solutions (pont salin).
L’ensemble électrode + solution constitue une demie pile.
Une pile = 2 demies piles + 1 pont salin
Notations : (pôle négatif)
Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu
(pôle positif)
On peut placer des électrodes si on n’a pas de métaux.
Exemple : (pôle négatif)
Pt | Fe3+ | Fe2+ || Cu2+ | Cu
élec.
red.
ox.
ox.
red.
(pôle négatif)
d. Force électromotrice (f.e.m)
Le f.e.m, notée E, est la tension à vide de la pile en Volts. On la mesure en dehors du circuit.
E = U + ri
2) Quantité d’électricité fournie par une pile.
La quantité d’électricité Q fournie par une pile (en C) est la charge totale de la pile au cours
de son fonctionnement.
Q = I ⋅ ∆t
la capacité est la charge maximum : C = Qmax = I ⋅ ∆tmax
Le faraday est le nombre de charge échangé par une mole d’électrons. On note donc aussi :
Q = n ( e− ) ⋅F
III – Une réaction forcée : L’électrolyse
1) Réaliser une réaction forcée
Pour forcer un réaction, on impose un courant électrique en deux électrodes dans une
solution (à l’opposé de la pile). A l’inverse des réaction des réaction spontanées, la réaction
forcée tend à s’éloigner de l’état d’équilibre.
L’électrolyse :
i
anions
e-
cations
A la borne positive, les électrons partent, c’est l’anode > Oxydation
A la borne négative, les électrons arrivent, c’est la cathode > Réduction
2) Aspects quantitatifs d’une électrolyse
(même principe que la pile)
Q = I ⋅ ∆t
Q = n ( e− ) ⋅F
3) Applications de l’électrolyse
- Accumulateurs : Batteries, Piles rechargeables… > On crée la réaction inverse de la pile
pour recharger.
- Préparation de produits chimiques : ex : Fabrication du Cl2 par électrolyse de NaCl,
fabrication de H2 par électrolyse de l’eau…
- Electroaffinage : pour purifier un métal par ajout de matière. (voir schéma)
- Dépôt métallique : ex : Chrome / Argent pour l’esthétique ou pour protéger contre la rouille.
i
e-
Cu
Cu
Cu2+
cations
L’anode « s’effrite », et les Cu2+ vont se « coller » sur la cathode. On renforce ainsi la teneur
en cuivre de la cathode. C’est le principe de l’anode soluble. Les impuretés de l’anode
tombent au fond de la cuve et deviennent boue anodique.
Cu2+ (aq) + Cu (s) → Cu (s) + Cu2+ (aq)
On utilise ce montage pour purifier un métal (jusqu’à 99,9% avec plusieurs électrolyses) ou
protéger un métal.