Télécharger le fichier - Fichier

193
séQuence
PARtiE 5
➔ Manuel unique, p. 346
(➔ Manuel de chimie, p. 144)4
Piles et oxydoréduction
Les compétences à acquérir dans la séquence
1. Définir un couple oxydant/réducteur.
2. Écrire l’équation ajustée d’une réaction d’oxydoréduction.
3. Réaliser une pile et modéliser son fonctionnement.
Évaluation diagnostique p. 346
SITUATION 1
Les oxydants et les réducteurs, encore appelés anti-oxydants, sont des espèces chimiques aux proprié-
tés spécifiques que nous rencontrons et utilisons au quotidien. L’activité 1 présente quelques-uns de
leurs domaines d’application et le type de réactions auxquelles ils participent.
SITUATION 2
Il est possible de produire du dihydrogène à partir d’eau et d’électricité. Mais comment du dihydrogène
peut-il produire de l’électricité ? Quel est le principe de fonctionnement d’une pile ? C’est la question à
laquelle répond l’activité 2.
SITUATION 3
Certaines piles sont dites rechargeables, d’autres en revanche, ne semblent pas l’être. Une batterie ou un
accumulateur sont rechargeables. Qu’est-ce qui différencie une pile d’une batterie : les modalités de fonc-
tionnement ou la constitution ? L’activité 3 permet de répondre à ces questions.
Le programme
Notions et contenus Compétences attendues
AGIR – Convertir l’énergie et économiser les ressources
–Polarité des électrodes, réactions aux électrodes.
–Oxydant, réducteur, couple oxydant/réducteur, réac-
tion d’oxydo-réduction.
–Modèle par transfert d’électrons.
–
Pratiquer une démarche expérimentale pour réaliser
une pile et modéliser son fonctionnement. Relier la
polarité de la pile aux réactions mises en jeu aux élec-
trodes.
–Reconnaître l’oxydant et le réducteur dans un couple.
Écrire l’équation d’une réaction d’oxydo-réduction en
utilisant les demi-équations redox.
04732835_.indb 193 19/07/11 18:06
> STDI Pdf Gris

194
PARTIE 5 – Séquence 4 Piles et oxydoréduction
Activités
Activité 1
Réactions d’oxydoréduction p. 348
1. a. Les oxydants cités dans le texte sont les ions hypochlorite constitutifs de l’eau de Javel, le peroxyde
d’hydrogène en solution aqueuse, appelé « eau oxygénée », le dioxygène responsable, par exemple, de
l’oxydation (brunissement) des fruits, et enfin les radicaux libres.
b. « Les radicaux libres, comme tous les oxydants, sont en quête d’électrons. » Un oxydant est donc une espèce
chimique susceptible de capter un ou plusieurs électrons.
2. Dans la mesure où la vitamine C réagit avec le dioxygène, elle évite que celui-ci ne réagisse avec d’autres
espèces chimiques et ne les oxyde.
3. Le précipité vert qui se forme dans la solution met en évidence l’ion Fe2+ (aq).
4. a. La teinture d’iode ou la Bétadine® sont des antiseptiques qui contiennent un biocide : le diiode
I2 (aq), qui leur confère leur propriété spécifique et leur coloration jaune-orangé.
b. Du fait de la coloration orangée de la solution et de la nécessaire conservation de l’élément iode, il se
forme également du diiode I2 (aq) au cours de cette réaction.
5. a. Comme l’indique la demi équation Fe3+ (aq) + e- Æ Fe2+ (aq), l’ion fer (III) capte un électron pour se
transformer en l’ion fer (II) : c’est donc un oxydant.
b. 2 I- (aq) Æ I2 (aq) + 2 e-.
c. D’après les demi-équations précédentes, un anti-oxydant ou réducteur est une espèce chimique qui
cède un ou plusieurs électrons.
6. 2 Fe3+ (aq) + 2 I- (aq) Æ 2 Fe2+ (aq) + I2 (aq).
7. Au cours d’une réaction d’oxydoréduction, un réducteur réagit avec un oxydant en lui transférant un
ou plusieurs électrons.
Activité 2
La pile Daniell p. 349
1. La pile de Volta et une pile au citron sont constituées toutes deux par deux objets en métaux distincts
(cuivre-zinc pour la première et fer (trombone ou barrette)-cuivre (contenu dans une pièce de monnaie)
pour la seconde), plongés, au moins partiellement, dans une solution aqueuse ionique (saumure et jus
de citron).
Le voltmètre indique une tension positive lorsque sa borne V est reliée à la lame de cuivre et sa borne
Com à la lame de zinc. La borne positive de la pile est donc la lame de cuivre et sa borne négative la lame
de zinc.
2. Voir schéma ci-dessous.
Les électrons circulent dans les conducteurs métalliques constitutifs de la pile et du circuit extérieur dans
le sens opposé de celui du courant électrique : ils circulent donc de la lame de zinc vers la lame de cuivre.
e–e–
e–
solution
de sulfate
de cuivre
solution
de chlorure
de zinc
papier filtre
imbibé d’une solution
de chlorure de potassium
Cu (s)
Zn (s)
+ –
K+Cℓ–
Cu2+ Zn2+
04732835_.indb 194 19/07/11 18:06
> STDI Pdf Gris

195
PARTIE 5 – Séquence 4 Piles et oxydoréduction
3. Le papier-filtre imbibé d’une solution de chlorure de potassium assure la continuité électrique du cir-
cuit constitutif de la pile réalisée et l’électroneutralité des solutions dans lesquelles il plonge. Les cations
se dirigent vers la solution où sont consommés les ions cuivre, et les anions vers celle où sont formés des
ions zinc, et ce, afin que l’électroneutralité des solutions soit toujours assurée.
4. À la borne positive, on peut écrire : Cu2+ (aq) + 2 e- Æ Cu (s).
À la borne négative, on peut écrire : Zn (s) Æ Zn2+ (aq) + 2 e-.
5. Cu2+ (aq) + Zn (s) Æ Cu (s) + Zn2+ (aq). La réaction associée au fonctionnement global de la pile est
une réaction d’oxydoréduction, dans la mesure où s’échangent des électrons entre le réducteur et l’oxy-
dant de deux couples rédox différents.
6. Deux couples rédox ion métallique/métal sont susceptibles de former une pile :
– si ces couples sont différents ;
– s’ils ne sont pas en contact direct mais contenus dans deux enceintes distinctes ;
– s’ils sont reliés par une solution conductrice.
7. On dit d’une pile qu’elle est un générateur électrochimique parce qu’elle convertit de l’énergie chimique
en énergie électrique par le biais d’une réaction d’oxydoréduction.
Activité 3
Qu’est-ce que recharger une pile ? p. 350
1.
2. Le voltmètre indique une tension positive lorsque sa borne V est reliée à la lame d’argent et sa borne
Com à la lame de cuivre. La borne positive de la pile est donc la lame d’argent et sa borne négative la
lame de cuivre.
3. Les électrons circulent dans les conducteurs métalliques constitutifs de la pile et du circuit extérieur dans
le sens opposé de celui du courant électrique : ils circulent donc de la lame de cuivre vers le fil d’argent.
À la borne positive, on peut écrire : Ag+ (aq) + e- Æ Ag (s).
À la borne négative, on peut écrire : Cu (s) Æ Cu2+ (aq) + 2 e-.
L’équation de la réaction associée au fonctionnement global de la pile peut donc s’écrire :
Cu (s) + 2 Ag+ (aq) Æ Cu2+ (aq) + 2 Ag (s).
4. a. Les ions argent et le métal cuivre sont les réactifs de cette réaction d’oxydoréduction.
Avec un volume de solution de nitrate d’argent de 100 mL, on a :
ni(Ag+) = 5,0 ¥ 10-2 ¥ 100 ¥ 10-3 = 5,0 ¥ 10-3 mol.
Si mi(Cu) > 6,3 g alors on a : ni(Cu) >
6 3
63
,
= 1,0 ¥ 10-1 mol.
Compte tenu de la stœchiométrie de la réaction et des quantités de matière de réactifs introduites, l’état
final du système chimique sera atteint lorsque les ions argent auront été totalement consommés. À ce
moment, la pile cessera de fonctionner et donc de débiter un courant électrique.
b. On peut vérifier l’absence d’ions argent dans le bécher dans lequel est plongée l’électrode d’argent en
mettant en présence quelques millilitres de son contenu avec des ions chlorure. Aucun précipité blanc
de chlorure d’argent ne se formera.
solution
de nitrate
de cuivre
solution
de nitrate
d’argent
solution
gélifiée de nitrate
de potassium
Cu (s)
Ag (s)
Com V
V
04732835_.indb 195 19/07/11 18:06
> STDI Pdf Gris

196
PARTIE 5 – Séquence 4 Piles et oxydoréduction
5. Le système chimique sera à nouveau capable de débiter un courant dans le circuit branché entre ses
bornes s’il contient à nouveau des ions argent.
6. Pour recharger une pile, nous l’insérons dans un adaptateur lui-même relié à une prise du secteur :
c’est donc le courant délivré par l’installation domestique qui va « recharger » la pile branchée entre les
bornes de la prise. C’est là le rôle du générateur qui apparaît dans le montage de la figure 2. Le pôle + de
celui-ci est relié à l’électrode d’argent, d’où des électrons sont donc émis, et son pôle – à l’électrode de
cuivre.
e–e–
e– e–
solution
de sulfate
de cuivre
solution
aqueuse
pont salin
Cu (s)
Ag (s)
K+NO3
–
Cu2+ (aq) Ag+ (aq)
G
– +
7. Voir schéma ci-dessus.
8. À l’électrode d’argent : Ag (s) Æ Ag+ (aq) + e-.
À l’électrode de cuivre : Cu2+ (aq) + 2 e- Æ Cu (s).
L’équation de la réaction dont le système chimique est le siège peut donc s’écrire :
Cu2+ (aq) + 2 Ag (s) Æ Cu (s) + 2 Ag+ (aq).
9. On peut constater que la pile a été rechargée car l’ampèremètre indique qu’un courant notable (de
l’ordre de quelques mA) circule à nouveau entre la lame d’argent et la lame de cuivre de la pile.
10. Recharger une pile, c’est faire en sorte d’inverser la réaction dont elle est spontanément le siège.
11. Les piles vendues dans le commerce sont le lieu d’une réaction d’oxydoréduction. On peut en inver-
ser le sens spontané d’évolution en utilisant un générateur extérieur. Toute pile peut donc théoriquement
être rechargée. Toutefois, du fait de leur conception et de l’état physique des espèces chimiques qui les
constituent, la séparation convenable des espèces chimiques indispensable à la renversabilité du proces-
sus de décharge ne sera peut-être pas réalisée. Dans ce cas, la pile ne sera pas rechargeable.
exercices
COMPÉTENCE 1 : Définir un couple oxydant/réducteur
1
1. Faux. Un réducteur est une espèce susceptible de céder un ou plusieurs électrons.
2. Vrai.
3. Faux. Dans l’équation 2 Ag+ (aq) + Cu (s) Æ 2 Ag (s) + Cu2+ (aq), les espèces conjuguées sont d’une
part Ag+ (aq) et Ag (s), et d’autre part Cu2+ (aq) et Cu (s).
4. Vrai.
5. Vrai.
2
1. a. Fe3+(aq) et Fe2+(aq).
b. Br2 (aq) et Br– (aq).
c. H2O2 (aq) et H2O (l).
d. CℓO– (aq) et Cℓ2 (g).
e. O2 (g) et H2O (l)
2. a. Fe3+(aq)/Fe2+(aq).
b. Br2 (aq)/Br– (aq).
04732835_.indb 196 19/07/11 18:06
> STDI Pdf Gris

197
PARTIE 5 – Séquence 4 Piles et oxydoréduction
c. H2O2 (aq)/H2O (l).
d. CℓO– (aq)/Cℓ2 (g).
e. O2 (g)/H2O (l)
3
a. Aℓ3+ (aq) + 3 e- = Aℓ (s) ; b. Cu2+ (aq) + 2 e- = Cu (s) ; c. I2 (aq) + 2 e- = 2 I- (aq) ;
d. S2O8
2- (aq) + 2 e- = 2 SO4 2- (aq).
4
1. S4O6
2- (aq) + 2 e- = 2 S2O3 2- (aq) et S2O3 2- (aq) + 6 H+ (aq) + 4 e- = 2 S (s) + 3 H2O (l).
2. L’ion thiosulfate participe à deux couples rédox : il joue le rôle d’oxydant dans l’un et de réducteur dans
l’autre. Une telle espèce peut de fait réagir sur elle-même.
3. H2O2 (aq)/H2O (l) et O2 (g)/H2O2 (aq) ; CℓO- (aq)/Cℓ2 (g) et Cℓ2 (aq)/Cℓ- (aq).
5
1. a. 2 BrO3
– (aq) + 12 H+ (aq) + 10 e– = Br2 (aq) + 6 H2O (l).
b. O2 (g) + 2 H+ (aq) + 2 e– = H2O2 (aq).
c. S2O3
2– (aq) + 6 H+ (aq) + 4 e– = 2 S (s) + 3 H2O (l).
d. 2 H+ (aq) + 2 e– = H2 (g).
e. NO3
– (aq) + 4 H+ (aq) + 3 e– = NO (g) + 2 H2O (l).
f. MnO4
– (aq) + 8 H+ (aq) + 5 e– = Mn2+ (aq) + 4 H2O (l).
2. C’est l’ion hydrogène H+ (aq) qui atteste du caractère acide du milieu réactionnel.
6
1. a. C6H5CO2
- (aq) + 5 H+ (aq) + 4 e- = C6H5CH2OH (aq) + H2O (l).
b. Aℓ(OH)4
- (aq) + 4 H+ (aq) + 3 e- = Aℓ (s) + 4 H2O (l).
c. PbO2 (s) + 2 H+ (aq) + 2 e- = PbO (s) + H2O (l).
d. MnO4
2- (aq) + 4 H+ (aq) + 2 e- = MnO2 (s) + 2 H2O (l).
e. O2 (g) + 3 H+ (aq) + 4 e- = HO- (aq) + H2O (l).
2. Considérant l’équation H+ (aq) + HO- (aq) = H2O (l), on ajoutera autant d’ions hydroxyde (de part
et d’autre du signe =) que nécessaire à la disparition des ions hydrogène.
a. C6H5CO2
- (aq) + 4 H2O (l) + 4 e- = C6H5CH2OH (aq) + 5 HO- (aq).
b. Aℓ(OH)4
- (aq) + 3 e- = Aℓ (s) + 4 HO- (aq).
c. PbO2 (s) + H2O (l) + 2 e- = PbO (s) + 2 HO- (aq).
d. MnO4
2- (aq) + 2 H2O (l) + 2 e- = MnO2 (s)+ 4 HO- (aq).
e. O2 (g) + 2 H2O (l) + 4 e- = 4 HO– (aq).
7
1. Le salpêtre (du latin médiéval salpetrœ, littéralement : « sel de pierre ») est le nitrate de potassium.
Sa formule chimique est KNO3. Au xixe siècle, il est l’un des « ingrédients », avec le charbon de bois et le
soufre, nécessaires pour la fabrication de la poudre à canon.
2. À cette époque, celle des guerres napoléoniennes, un blocus commercial est imposé à la France et le
charbon de bois riche en potasse, dont la Suède est exportatrice, ne parvient que très difficilement en
France.
3. L’iode a été ainsi nommée par Gay-Lussac en raison de sa couleur, car iôdês signifie « violet » en grec.
4. La teinture d’iode est un puissant désinfectant qui est antiseptique, antifongique, anti-inflammatoire,
bactéricide et cicatrisant. C’est une solution de diiode (10 % en masse) dans l’éthanol.
5. I2 (aq) + 2 e- = 2 I- (aq).
COMPÉTENCE 2 : Écrire l’équation ajustée d’une réaction d’oxydoréduction
8
1. Ag+ (aq) + e- = Ag (s) et Pb2+ (aq) + 2 e- = Pb (s).
2. Une réaction d’oxydoréduction est une réaction qui met en jeu un transfert d’électrons entre ses réac-
tifs, qui participent à deux couples rédox distincts. Le réducteur du premier couple s’oxyde, tandis que
l’oxydant du second se réduit, en formant leurs espèces conjuguées respectives.
04732835_.indb 197 19/07/11 18:06
> STDI Pdf Gris