Notes - WordPress.com
publicité
1 Le potentiel standard des piles Le potentiel d'une pile est la différence entre le potentiel (ou énergie potentielle) de l'anode et celui de la cathode. En d'autres mots, le potentiel d'une pile est la différence entre le potentiel des deux demi-piles. L'oxydoréduction est une forme d'équilibre. La demi-réaction d'oxydation et la demiréaction de réduction ne peuvent pas se produire l'une sans l'autre. À cause de cela, il est impossible de connaître seulement le potentiel d'oxydation ou seulement le potentiel de réduction. L'un ne va pas sans l'autre. Nous allons utiliser un tableau de potentiel standard de demi-pile. Ce tableau contient des valeurs de potentiel mesuré. L'avantage de cette méthode est que l'on peut calculer le potentiel d'une pile sans avoir à construire la pile et mesurer expérimentalement son potentiel. Tableau des potentiels normaux des demi-réactions (voir l’Annexe p.28). Le tableau suit les conventions suivantes: - Les demi-réactions sont écrites dans le sens de la réduction. On inverse la réaction de réduction pour obtenir l'oxydation. -Plus le potentiel de réduction est grand pour n'importe quelle demi-réaction, plus sa tendance à gagner des électrons est grande. -Les demi-réactions en tête du tableau sont les meilleurs agents oxydants (peuvent être facilement réduit donc la réaction de réduction est favorisée ) tandis que ceux du bas sont les pires agents oxydants ou les meilleurs agents réducteurs (peuvent être facilement oxydés donc la réaction d'oxydation est favorisée). -Les données des tableaux de potentiel de réduction standard ont été mesurées dans des conditions standard, c'est-à-dire à une température de 25oC ou 298K, une pression de 101,3kPa et une concentration des ions en solution de 1mol/L. -Le potentiel de réduction standard est symbolisé par Eo , le o indique état standard. -Le tableau contient des valeurs relatives puisque l'on ne peut pas mesurer un potentiel de réduction individuel. On a obtenu les valeurs du tableau en comparant au potentiel de réduction de l'hydrogène auquel on accorde une valeur de zéro. Le calcul du potentiel standard d'une pile 2 Reprenons l'exemple de la pile Daniell (zinc-cuivre) que nous avons vu précédemment. Cette pile a un potentiel standard lorsque les solutions contenues dans les 2 demiréactions ont une concentration de 1 mol/L. On peut représenter cette même pile de façon abrégée: Zn/Zn 2+(1mol/L) // Cu2+(1mol/L)/Cu . Ce qui signifie :Électrode/solution=oxydation // représente le pont salin et solution/électrode = réduction. La pile est divisée en deux demi-réactions. Demi-réaction d'oxydation: Zn(s) Zn2+ + 2e- = réaction à l'anode Demi-réaction de réduction: Cu2+ + 2e- Cu (s) = réaction à la cathode Rappel: red cat - la réduction est à la cathode (voir la section terminologie des piles – section 6.3) Il existe deux méthodes pour calculer le potentiel standard d'une pile. Les deux méthodes donnent le même résultat. Méthode 1 Formule: Eo = Eo cathode – Eo anode Dans la pile ci-dessus, le cuivre est la cathode et le zinc est l'anode. Pour connaître le potentiel standard de la pile, on utilise les valeurs de potentiel de demi-réactions qui est dans le tableau . (C'est le même que la section précédente Demi-réaction d'oxydation: Zn(s) Zn2+ + 2eDemi-réaction de réduction: Cu2+ + 2e- Cu (s) Eo = -0,76V Eo = 0,34V Appliquons la formule: Eo = Eo cathode – Eo anode devient Eo = 0,34V - (-0,76V)= 1,1V Le potentiel de cette pile est de 1,1V. 3 **Noter que le potentiel standard de toutes les piles galvaniques a une valeur positive. Méthode 2 Formule: Eo = Eo red + Eo ox **Dans le tableau de potentiel des demi-réactions, toutes les équations sont données sous forme de demi-réaction de réduction. Pour cette méthode, il faut inverser l'équation de l'oxydation et inverser le signe du potentiel correspondant. Nous avions dans le tableau: Demi-réaction d'oxydation: Zn2+ + 2e- Zn(s) Eo = -0,76V s'écrit: Zn(s) Zn2+ + 2e- Eo= +76V (après inversion) Demi-réaction de réduction: Cu2+ + 2e- Cu (s) Eo = 0,34V Appliquons la formule: Eo = Eo red + Eo ox donne Eo = 0,34 V + 0,76V = 1,1V On obtient la même réponse qu'avec la méthode 1. C'est à toi de décider quelle méthode tu veux utiliser. Réaction spontanée On parle d'une réaction spontanée lorsque le potentiel standard de la pile E o est positif. Dans une pile galvanique, la réaction est toujours spontanée. Il faut noter que même si les demi-réactions ont été multipliées par des facteurs, leurs potentiels respectifs ne le sont jamais. Regarde maintenant l'exemple 4 qui t'indique comment résoudre un problème sur le potentiel standard d'une pile. Exemple 4 : Soit la pile suivante : 2I-(aq) + Br2(l) I2(s) + 2Br-(aq) Calcule le potentiel standard de cette pile. Solution : À l’aide des nombres d’oxydation, nous allons pouvoir identifier les éléments qui ont subit une oxydation et une réduction. Selon les règles déjà vues précédemment, nous indiquons les nombres d’oxydations de chaque élément de l’équation. 2I-(aq) + Br2(l) I2(s) + 2Br-(aq) -1 0 0 -1 Le nombre d’oxydation de l’iode augmente de – 1 à 0 = oxydation 4 Le nombre d’oxydation du brome diminue de 0 à –1 = réduction Maintenant , on peut écrire les demi-réactions d’oxydation et de réduction. Oxydation (anode) : 2I-(aq) I2(s) + 2e0,53V Réduction (cathode) : Br2(l) + 2e 2Br (aq) 1,06V **Ces équations proviennent du problème type p.519 Chimie 12 En regardant dans le tableau de valeur de potentiel des demi-réactions, on obtient les valeurs suivantes. Il reste à faire le calcul avec la méthode 1 ou la méthode 2. Méthode 1 : Eo = Eocathode - Eoanode Donne : Eo = 1,06V- 0,53V = 0,53V Méthode 2 : Eo = Eored + Eoox Il faut inverser la valeur de la demi-réaction d’oxydation. On utilise –0,53V. Donne : Eo = 1,06V + (-0,53V) = 0,53V On obtient la même réponse avec la méthode 1 et avec la méthode 2 soit 0,53V. Le potentiel standard de cette pile est 0,53V. Annexe Potentiel d’électrodes normaux des demi-réactions Concentrations ioniques de 1,0 mol/L dans l’eau, à 25oC. Tous les ions sont aqueux. Demi-réaction Eo(Potentiel/Volt) 5 F2(g) + 2e- 2FMnO4- + 8H+ + 5e- Mn+2 + 4H2O Au+3 + 3e- Au(s) Cl2(g) + 2e- 2ClCr2O72- + 14 H+ + 6e- 2Cr+3 + 7H2O MnO2(s) + 4H+ + 2e- Mn+2 + 2H2O 1/ O + 2 2(g) + 2H + 2e H2O Br2(l) + 2e 2Br NO3- + 4H+ + 3e- NO(g) + 2H2O Ag+ + e- Ag(s) NO3- + 2H+ + e- NO2(g) + 2H2O Fe+3 + e- Fe+2 I2(s) + 2e- 2ICu+2 + 2e- Cu(s) SO42- + 4H+ + 2e- SO2(g) + 2H2O Sn+4 + 2e- Sn+2 S(s) + 2H+ + 2e- H2S(g) 2H+ + 2e- H2(g) Fe3+ + 3e- Fe(s) Pb+2 + 2e- Pb(s) Sn+2 + 2e- Sn(s) Ni+2 + 2e- Ni(s) Cd+2 + 2e- Cd(s) Fe+2 + 2e- Fe(s) Cr+3 + 3e- Cr(s) Zn+2 + 2e- Zn(s) Mn+2 + 2e- Mn(s) Al+3 + 3e- Al(s) Mg+2 + 2e- Mg(s) Na+ + e- Na(s) Ca+2 + 2e- Ca(s) Ba +2 + 2e- Ba(s) Cs + e- Cs(s) K+ + e- K(s) Li+ + e- Li(s) + 2,87 + 1,52 + 1,50 + 1,36 + 1,33 + 1,28 + 1,23 + 1,06 + 0,96 + 0,80 + 0,78 + 0,77 + 0,53 + 0,34 + 0,17 + 0,15 + 0,14 0,00 - 0,04 - 0,13 - 0,14 - 0,25 - 0,40 - 0,44 - 0,74 - 0,76 - 1,18 - 1,66 - 2,37 - 2,71 - 2,87 - 2,90 - 2,92 - 2,92 - 3,00
