Peut-on inverser le sens d’évolution spontané
d’un système chimique ?
ObjectifsObjectifs
- 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 démarchePrésentation 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 produitsMatériel 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+ + 2-
4
SO , de
concentration molaire 1,0 mol.L-1
Solution de nitrate de potassium, K++-
3
NO , de concentration
molaire 1,0 mol.L-1
Solution de chlorure de sodium saturée
Fabrication d’une pile «Fabrication d’une pile « usée usée » »
On considère une pile Argent/Cuivre comme ci-dessous.
Cu(s) / (Cu2+(aq)+ 2-
4
SO (aq)) 0,5 mol.L-1// K+(aq)+NO −
3(aq)// (Ag+(aq)+ -
3
NO (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]
+
+
=== (*) 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)+ 2-
4
SO (aq)) 0,5 mol.L-1// K+(aq)+NO −
3(aq)// (K+(aq)+ -
3
NO (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.