Chapitre 2 Les piles électrochimiques

Troisième Partie : Le sens « spontané » d’un système chimique est‐il prévisible ? Peut‐on l’inverser ?

Chapitre 2 : Les piles électrochimiquesChapitre 2 : Les piles électrochimiques


I. Quels sont les deux types de transfert spontanéd’électrons ?


I.1. Transferts spontanés directs d’électrons

Réduction des ions cuivre II en CuOxydation du Zn en ions zinc IIAugmentation de température

Transformation spontanée

Pas de transformation


I.1. Transferts spontanés directs d’électrons

Ces observations expérimentales traduisent un transfertd’électrons du réducteur Réd vers l’oxydant Oxspontané……………………. d’électrons du réducteur Réd1 vers l oxydant Ox2.

Ce transfert spontané d’électrons se fait ……………………… entre leréducteur Réd1 et l’oxydant Ox2.

spontanédirectement


I.2. Transferts spontanés indirects d’électrons

On peut récupérer l’énergie libérée lors de la réaction d’oxydoréduction enséparant les réactifs dans …………………………………………………………L t f t t i i d

deux compartiments différentsindirectLe transfert est ainsi rendu ………………..indirect

Cependant il est nécessaire de relier chacun des compartiments par unpour le circuit électrique et assurerpont salin fermer………………………… pour ……………… le circuit électrique et assurer

ainsi le transfert des ……………………… entre chaque compartiment (et letransport du courant).

pont salin fermerélectrons


I.2. Transferts spontanés indirects d’électrons

AR

Lame de cuivre

Lame de zinc

V

Pont salin

Solution de Solution de 2 2(aq) 4(aq)Cu SO+ −+ 2 2

(aq) 4(aq)Zn SO+ −+(aq) (aq) (aq) 4(aq)

P l bi i d t i i é li é pile électrochimiquePar le biais de ce montage on a ainsi réalisé une ……………………………………pile électrochimique


II Qu’est ce qu’une pile électrochimique ?II. Qu est‐ce qu une pile électrochimique ?


II.1. Définition d’une pile électrochimique

Une pile électrochimique est un dispositif qui convertit une énergie………………………….. en énergie …………………………….. grâce à unchimique électriqueg gtransfert…………………… .………………………. d’…………………… entredeux couples oxydant / réducteur via un circuit électrique extérieur (les deuxcouples ne sont pas en contact).

spontané indirect électrons


II.2. Les composants d’une pile électrochimique

Une pile électrochimique est constituée de …………………………………………...contenant chacun un couple oxydant / réducteur qui sont reliés par un …………

deux compartiments distinctspont

salin………….salin

AR

Lame de cuivre

Lame de zinc

V

Pont salin

Solution de Solution de 2 2(aq) 4(aq)Cu SO+ −+ 2 2

(aq) 4(aq)Zn SO+ −+



a) Demi-pile

AR

Lame de cuivre

Lame de zinc

V

Pont salin

Solution de Solution deSolution de Solution de 2 2(aq) 4(aq)Cu SO+ −+ 2 2

(aq) 4(aq)Zn SO+ −+

Chaque compartiment d’une pile constitue une …………………demi-pile



Lame de

a) Demi-pile

Lame de cuivre Électrode de cuivre

Cu(s)

Solution électrolytique

Solution de 2 2(aq) 4(aq)Cu SO+ −+

électrolytique

Une demi-pile est constituée ………………………………… appelée ………………………….., qui plonge dans une ……………………………………….. contenant l’ion métallique associé au métal M(s).

d’une plaque de métal M(s)électrode solution électrolytique

co te a t o éta que assoc é au é a (s)Autrement dit chaque demi-pile contient l’oxydant et le réducteur d’un couple.



b) Pont salin

P t liPont salin

Le pont salin fait le lien entre les deux demi-piles, il est constitué d’unélectrolyte (conducteur ionique)électrolyte (conducteur ionique)

Ex : solution de chlorure de potassium ( ) ou nitrate d’ammonium ( )

−+ + ClK−+ + 34 NONH( )34

Il assure :la pour permettre la circulation defermeture du circuitla ………………………………………………. pour permettre la circulation de courant électrique entre chaque demi-pile

etl’………………………………………. des solutions de chaque demi-pile.électroneutralitél ………………………………………. des solutions de chaque demi pile.


III Comment fonctionne une pile électrochimique ?III. Comment fonctionne une pile électrochimique ?


Exemple de la pile Daniell : Zinc – Cuivrep p

R

Pont salin(s)Cu (s)Zn(aq )K +

(aq )Cl−

2(aq)Cu + 2

(aq)Zn +

24(aq)SO − 2

4(aq)SO −


III.1. Réactions aux électrodes et polarité des électrodes

Les réactions d’oxydation et de réduction (transfert d’électrons) ont lieu à lasurface des électrodes.

l’ANODE est l’électrode qui est le siège d’une ………………………….., c’est laborne ……………. de la pile (c’est de cette électrode que partent les

OXYDATIONNÉGATIVE

électrons vers le circuit extérieur).

la CATHODE est l’électrode qui est le siège d’une ……………………….., c’estRÉDUCTIONq g ,la borne …………… de la pile (c’est sur cette électrode que les électronsarrivent par le circuit extérieur).

POSITIVE


III.1. Réactions aux électrodes et polarité des électrodesExemple de la pile Daniell : Zinc – Cuivre

R

Pont salin

(aq )K +(aq )Cl−

2(aq)Cu +

C

2(aq)Zn +

(s)Cu(s)Zn

24(aq)SO − 2

4(aq)SO −

c’est une ……………………, l’électrode de zinc est donc …………………

−+ += e2ZnZn 2(aq)(s)

oxydation l’anode

(s)2(aq) Cue2Cu =+ −+

c’est une ……………………, l’électrode de cuivre est donc …………………..réduction la cathode,


III.2. Mouvement des porteurs de charge dans une pile électrochimique

a) Mouvement des électrons dans le circuit électrique

L’électrode de fournit des électrons il s’agit donc de l’oxydation du

À l’anode

zinc

−+ += e2ZnZn 2(aq)(s)

L’électrode de ……………. fournit des électrons, il s’agit donc de l’oxydation du……………… et la concentration en ions ……………… augmente au cours dutemps.La lame de perd de sa matière sa masse diminue

zinczinc +2

(aq)Zn

zincLa lame de ……………… perd de sa matière, sa masse diminue.zinc

À la cathode (s)2(aq) Cue2Cu =+ −+

À la cathode

L’électrode de ……………….. capte des électrons qui vont participer à laréduction des ions ……………………… et la concentration en ions

cuivrecuivre (II)

(s)(aq)

………………… diminue au cours du tempsLa lame de ………………. gagne de la matière, sa masse augmente (un dépôt de……………….. apparaît sur la lame).

+2(aq)Cu

cuivrecuivre



a) Mouvement des électrons dans le circuit électrique

Re−e−

ZoomZoom R

(aq )K +(aq )Cl−

Zoom

2e− 2(aq)Zn +

Zoom

2e− 2(aq)Cu +

I I

Pont salin

(aq ) (aq )

e−

(s)Zn

e−(s)Cu

(aq)

2(aq)Cu +

(s)Cu(s)Zn

2(aq)Zn +

24(aq)SO − 2

4(aq)SO −



b) Mouvement des ions et rôle du pont salin

Les électrons ……………………………… à l’état libre dans les solutionsaqueuses électrolytiques.

n’existent pas

Dans les solutions et dans le pont salin, la circulation du courant est assurée par un ………………………………déplacement d’ions

Les anions du pont salin vont migrer du côté du compartiment où la concentrationen ions métalliques ………..………… au cours du temps donc vers+n

(aq)M augmenteq pl’…………………(assure l’électroneutralité).

(aq)

L ti d t li t i d ôté d ti t ù l

ANODE

Les cations du pont salin vont migrer du côté du compartiment où laconcentration en ions métalliques ……..………… au cours du temps doncvers la…………………(assure l’électroneutralité).

+n(aq)M diminue

CATHODE



b) Mouvement des ions et rôle du pont salin

Re−e−

ZoomZoom R

(aq )K +(aq )Cl−

Zoom

2e− 2(aq)Zn +

Zoom

2e− 2(aq)Cu +

I I

Pont salin

(aq ) (aq )

e−

(s)Zn

e−(s)Cu

(aq)

2(aq)Cu +

(s)Cu(s)Zn

2(aq)Zn +

24(aq)SO − 2

4(aq)SO −



On considère une pile électrochimique composée de deux demi-piles constituéeschacune d’une plaque de métal M(s) qui plonge dans une solution électrolytiquecontenant l’ion métallique associé au métal M(s).

+n(aq)M

À l’anodela masse de l’électrode ……………………… au cours du tempsdiminue

tla concentration en ions métalliques …………………………+n(aq)M augmente

À la cathode

la masse de l’électrode ……………………… au cours du tempsaugmente

la concentration en ions métalliques …………………………+n(aq)M diminue


III.3. Schéma conventionnel d’une pile électrochimique

(s)2p(aq)2

n(aq)1(s)1 M/M//M/M ++

Électrodes

(s)2(aq)2(aq)1(s)1 ,,,,

Pont salin

La borne négative sera placée à gauche


III.4. Force électromotrice (f.é.m.) d’une pile électrochimique

La f.é.m. d’une pile correspond à la ………………………………………………..

On mesure la f é m en plaçant un voltmètre entre les deux électrodes de la pile

tension à vide de la pile

On mesure la f.é.m. en plaçant un voltmètre entre les deux électrodes de la pilequand ………………………………………. ne circule (la résistance d’unvoltmètre est très grande et aucun courant ne circule).

aucun courant

La mesure de la f.é.m. permet de …………………………………………………..trouver le sens du courant

La caractéristique d’une pile est : ..........................=PNU − ⋅E r Iq p PN

UPNUPN

E

I

r IE r I


III.4. Force électromotrice (f.é.m.) d’une pile électrochimique

IUPN

UPN

E

I

r I

La caractéristique d’une pile est : ..........................=PNU − ⋅E r I intensité du courant débité par la pile en ampère A

tension aux bornes du générateur en volts V

force électromotrice(f.é.m.) en volts V

résistance interne en ohms Ω

ampère A

La f.é.m. d’une pile dépend :

g ( )

t d lde la ……………………………………… mis en jeu

det

nature des couples

concentrations en ions métalliques des solutionsdes ……………………………………………………………………………………….concentrations en ions métalliques des solutions


III.5. La pile électrochimique : un système hors équilibre

Une pile est un système qui satisfait ………………………………………………aux critères d’évolution spontanée

Au cours de son fonctionnement la pile est un système chimiqueAu cours de son fonctionnement, la pile est un système chimique………………………………hors équilibre

L’avancement x(t) de la réaction ……………………. et le quotient de réaction Qraugmente( ) q r

……………. ;La pile débite alors des électrons, l’intensité I du courant débité ………………………………………..

varie

n’est pas nulle I ≠ 0 A

La pile tend alors vers un état d’équilibre, …………………….., qui est atteint lorsqu’elle est usée

Qr, éq = Klorsqu’elle est usée. À cet instant l’avancement vaut xéq, l’intensité du courant débité est nulle Iéq = ………………., la tension de la pile UPN tend …………………. donc la f.é.m. aussi

0 A vers 0 aussi.


III.6. Un exemple d’application : la pile Cuivre ‐ Argent

Elle est constituée :

d’une demi-pile de cuivre : électrode de qui plonge dans une solution d’ions (s)Cu 2(aq)Cu +p q p g(s) (aq)

d’une demi-pile d’argent : électrode de qui plonge dans une solution d’ions (s)Ag (aq)Ag+

d’un pont salin de nitrate de potassium (ions et )(aq)K+3,(aq)NO−

Les concentrations en ions métalliques à l’état initial sont toutes égales àLes concentrations en ions métalliques à l état initial sont toutes égales à 1C 0,10 mol L−= ⋅

Les réactions qui peuvent avoir lieu entre ces couples sont :

(s)(aq)2(aq)'(s) CuAg2CuAg2 +=+ ++ 16

1K 4,7 10−= ⋅ à 25°C (réaction )(s)(aq)(aq)(s) gg 1 , ( )

+ ++ = + 22Ag Cu 2Ag Cu 152K 2 1 10= = ⋅ à 25°C (réaction )

1+ = +(aq) (s) (s) '(aq)2Ag Cu 2Ag Cu 2K ............ 2,1 10 à 25 C (réaction )

1K


III.6. Un exemple d’application : la pile Cuivre ‐ ArgentLes concentrations en ions métalliques à l’état initial sont toutes égales à

1C 0,10 mol L−= ⋅

Calculer la valeur du quotient de réaction à l’état initial pour chacune desréactions

2 16(s)(aq)

2(aq)'(s) CuAg2CuAg2 +=+ ++ 16

1K 4,7 10−= ⋅ à 25°C (réaction )

r ,i,1Q .................................................................=2

(aq)

2( )

Ag

Cu

+

+

⎡ ⎤⎣ ⎦ =⎡ ⎤⎣ ⎦

10,10 K>(aq)Cu⎡ ⎤⎣ ⎦

donc la réaction évolue en sens indirect


III.6. Un exemple d’application : la pile Cuivre ‐ ArgentIII.6. Un exemple d application : la pile Cuivre ArgentLes concentrations en ions métalliques à l’état initial sont toutes égales à

1C 0,10 mol L−= ⋅

+ ++ = + 2(aq) (s) (s) '(aq)2Ag Cu 2Ag Cu 15

2K ............ 2,1 10= = ⋅ à 25°C (réaction )1

Kq q1K

2Cu +⎡ ⎤⎣ ⎦r ,i,2Q .................................................................= (aq)

2

(aq)

Cu

Ag+

⎡ ⎤⎣ ⎦ =⎡ ⎤⎣ ⎦

210 K<

donc la réaction évolue en sens direct

La réaction spontanée est donc la réaction

De plus la constante d’équilibre est très importante donc la réaction est totale

152K 2,1 10= ⋅



1C 0,10 mol L−= ⋅1+ ++ = + 2

(aq) (s) (s) '(aq)2Ag Cu 2Ag Cu 152K ............ 2,1 10= = ⋅ à 25°C (réaction )

1

1K

Déterminer la polarité de chaque électrodecèdeL’électrode de cuivre ……………….. donc des électrons qui sont ………………….

par les ions au contact de l’électrode d’argentAg+captés

par les ions au contact de l électrode d argent(aq)Ag

À l’extérieur de la pile les électrons vont de l’électrode ………………………….vers l’électrode

de cuivre (s)Cud’argent (s)Agl électrode …………………………….g ( )

Le courant d’intensité I circule dans ……………………….dans l’autre sens



1C 0,10 mol L−= ⋅1+ ++ = + 2

(aq) (s) (s) '(aq)2Ag Cu 2Ag Cu 152K ............ 2,1 10= = ⋅ à 25°C (réaction )

1

1K

L’électrode de cuivre est le siège d’une ………………., c’est ……….……………….., elle constitue la borne ………. de la pile car elle ………………. les électrons.

oxydation l’anode− cède

L’électrode d’argent est le siège d’une c’estréduction la cathodeL électrode d argent est le siège d une ……………………., c est ……………………, elle constitue le borne ………. de la pile car dans le circuit extérieur, les électrons ………………. à cette électrode.

+arrivent



1C 0,10 mol L−= ⋅1

Dét i ll d i il t di i l ti t l iK+

+ ++ = + 2(aq) (s) (s) '(aq)2Ag Cu 2Ag Cu 15

2K ............ 2,1 10= = ⋅ à 25°C (réaction )1

1K

Déterminer vers quelle demi-pile vont se diriger les cations et les anionsdu pont salin

(aq)K+

3,(aq)NO−

(aq)K+ vers la demi-pile ………… afin de compenser la disparition des ions (aq)Ag+

argent

3,(aq)NO− vers la demi-pile ………… afin de compenser l’apparition des ions

cuivre2(aq)Cu +


IV. Quelle quantité d’électricité peut débiter une pile électrochimique ?


IV.1. Intensité du courant débitée par une pile électrochimique

Pendant une durée , N électrons, de charge individuellecirculent à travers une section S de conducteur, la charge totale qui a traversé

Δt C101,6eq 19e

−⋅−=−=g

la section S est :e)(NqN e −⋅=⋅

L’intensité du courant continu I est définie comme un débit de charges, elle est positive donc :

Q N×e valeur absolue de la ....................=I QΔt

=N×eΔt

charge en coulomb (C)Durée en seconde (s)

Intensité du courant en ampère (A)

Au total il y a N électrons sont transférés entre les deux demi-piles, on en déduit la relation suivante :

=N− × An(e ) N...................=N A

en mol, quantité de tiè d’él t

en mol – 1, constante d’A dmatière d’électrons

transférés lorsque la pile débite

d’Avogadro


IV.1. Intensité du courant débitée par une pile électrochimique

=N×eI −( ) N −( ) F=IΔt

N)(N

..................................................=I× ×

=An(e ) N eΔt

×n(e )ΔtF

AN)(enN ×= −

constante appelée le ppFaraday

Un faraday correspond à la valeur absolue de la charge d’une mole d’électronsUn faraday correspond à la valeur absolue de la charge d une mole d électrons

23 196,02 10 1,6 10− −= ⋅ = ⋅ × ⋅ = × ⋅4 1A1 N e 9,65 10 C molF


IV.2. Un exemple d’application : la pile Cuivre ‐ Aluminium

Elle est constituée :

d’une demi-pile de cuivre : électrode de qui plonge dans une solution d’ions (s)Cu 2(aq)Cu +p q p g(s) (aq)

d’une demi-pile d’aluminium : électrode de qui plonge dans une solution d’ions (s)Al 3(aq)Al +

d’un pont salin de nitrate de potassium (ions et )(aq)K+3,(aq)NO−

L’électrode d’aluminium est l’anode de la pile électrochimique

Écrire les deux demi-équations d’oxydoréduction et en déduire l’équation-bilan de la pile

3(s) (aq)

2(aq) (s)

Al Al 3 e ( 2)Cu 2 e Cu ( 3)

+ −

+ −

= + ×+ = ×

2 3(s) (aq) (aq) (s)2 Al 3 Cu 2 Al 3 Cu+ ++ = +



Dresser le tableau d’avancement de la transformation chimique lorsque la

2 3(s) (aq) (aq) (s)2 Al 3 Cu 2 Al 3 Cu+ ++ = +

Dresser le tableau d’avancement de la transformation chimique lorsque lapile débite

État Avancement (en mol)

Quantité de matière d’e−

échangés

(s)2 Al 2(aq)3 Cu + 3

(aq)2 Al +(s)3 Cu+ +=

(en mol) échangés (en mol)Quantité de matière (en mol)

E.I. 0 i (s)n (Al ) 2+i (aq)n (Cu ) 3+

i (aq)n (Al ) i (s)n (Cu ) 0

E.C.T. x i (s)n (Al ) 2− x 2+i (aq)n (Cu ) 3− x 3+

i (aq)n (Al ) 2+ x i (s)n (Cu ) 3+ x 2×3×x = 6 x



É AvancementQuantité de matière d’e−

(s)2 Al 2(aq)3 Cu + 3

(aq)2 Al +(s)3 Cu+ +=


matière d eéchangés (en mol)Quantité de matière (en mol)

E.I. 0 i (s)n (Al ) 2+i (aq)n (Cu ) 3+

i (aq)n (Al ) i (s)n (Cu ) 0



Déterminer la valeur de l’avancement x lorsque la pile débite une intensitéconstante I = 10,0 mA pendant une durée ∆t = 2,00 heures

On sait que ................=I− ×n(e )ΔtF 6I =

Δt⋅x F I Δt=

6⋅⋅

xFΔt 6 ⋅F




(s)2 Al 2(aq)3 Cu + 3

(aq)2 Al +(s)3 Cu+ +=



E.I. 0 i (s)n (Al ) 2+i (aq)n (Cu ) 3+

i (aq)n (Al ) i (s)n (Cu ) 0



On sait que ................=I− ×n(e )ΔtF 6I =

Δt⋅x F I Δt=

6⋅⋅

xFΔt 6 ⋅F

......................................................................=x310,0 10 2,00 60 60−⋅ × × × 41, 24 10 mol−= ×A.N. :

46 9,65 10× ⋅




(s)2 Al 2(aq)3 Cu + 3

(aq)2 Al +(s)3 Cu+ +=



E.I. 0 i (s)n (Al ) 2+i (aq)n (Cu ) 3+

i (aq)n (Al ) i (s)n (Cu ) 0



Calculer dans ce cas la masse perdue ∆m (Al) par l’électrode d’aluminium(M (Al) = 27,0 g·mol – 1)

La masse perdue d’aluminium a pour expression :

∆m (Al) = mf (Al) – mi (Al)




(s)2 Al 2(aq)3 Cu + 3

(aq)2 Al +(s)3 Cu+ +=



E.I. 0 i (s)n (Al ) 2+i (aq)n (Cu ) 3+

i (aq)n (Al ) i (s)n (Cu ) 0



∆m (Al) = mf (Al) – mi (Al)

∆m (Al) = nf (Al)×M (Al) – ni (Al)×M (Al)( ) f ( ) ( ) i ( ) ( )

∆m (Al) = [nf (Al) – ni (Al)] ×M (Al)

∆m (Al) = [(ni (Al) – 2x) – ni (Al)] ×M (Al)( ) [( i ( ) ) i ( )] ( )

∆m (Al) = – 2x ×M (Al)



......................................................................=x3

4

10,0 10 2,00 60 606 9,65 10

−⋅ × × ×× ⋅

41, 24 10 mol−= ×,

∆m (Al) = – 2x ×M (Al)

A.N. : ∆m (Al) = – 2×1,24·10−4 ×27,0 = – 6,72×10−3 g = – 6,72 mg


V Les piles usuellesV. Les piles usuelles

Chapitre 2 Les piles électrochimiques

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