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CHIMIE ET ELECTRICITE Piles Electrolyse. OXYDOREDUCTION NOTIONS DE BASE Couple oxydant-réducteur : ox/red : ox + ne - = red Réaction d'oxydoréduction.

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1 CHIMIE ET ELECTRICITE Piles Electrolyse

2 OXYDOREDUCTION NOTIONS DE BASE Couple oxydant-réducteur : ox/red : ox + ne - = red Réaction d'oxydoréduction : Echange d'un ou plusieurs électrons entre l'oxydant d'un couple et le réducteur d'un autre couple. Oxydation : Perte d'un ou plusieurs électrons. Oxydant : Espèce chimique susceptible de capter un ou plusieurs électrons. Réduction : Gain d'un ou plusieurs électrons. Réducteur : Espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs électrons.

3 oxydant 1 réducteur 2 Échange d'électrons à la surface de contact Oxydant 1 Réducteur 2

4 Déplacement d'électrons courant électrique

5 On peut donc imaginer effectuer le transfert d'électrons par l'extérieur, à travers un circuit électrique

6 LES PILES

7 PILE DE VOLTA 1800 L'italien Alessandro Volta invente un objet fournissant un courant électrique. Cet objet est constitué de rondelles de tissu, de cuivre et d'argent que l'on empile, empilement répété plusieurs fois. Lorsqu'on relie les 2 extrémités de l'empilement par un fil de cuivre, un courant électrique traverse ce fil. La pile de Volta servira de support pour la suite

8 Réactions mises en jeu Couples mis en jeu : Ag + aq /Ag (s) :Ag + aq + e - = Ag (s) Cu 2+ aq /Cu (s) :Cu 2+ aq + 2e - = Cu (s) Réactions possibles : 2Ag + aq + Cu (s) 2Ag (s) + Cu 2+ aq K 1 = Ag (s) + Cu 2+ aq 2Ag + aq + Cu (s) K 2 = Ag + aq + Cu (s) 2Ag (s) + Cu 2+ aq

9 Modélisation L'ensemble {couple oxydant–réducteur + électrode} constitue une demi- pile. Ag (s) Cu (s) Ag + aq Cu 2+ aq R !!! Circuit ouvert : pas de circulation de courant électrique !!! pont salin contient des ions 2Ag + aq + Cu (s) 2Ag (s) + Cu 2+ aq Ag + aq + e - Ag (s) Cu (s) Cu 2+ aq + 2e - OXYDATIONREDUCTION ANODECATHODE

10 Interprétation Ag (s) Cu (s) Ag + aq Cu 2+ aq R pont salin fermeture du circuit électroneutralité des solutions 2Ag + aq + Cu (s) 2Ag (s) + Cu 2+ aq Ag + aq + e - Ag (s) Cu (s) Cu 2+ aq + 2e - OXYDATIONREDUCTION ANODECATHODE Borne -Borne + e-e- e-e- e-e- Cu 2+ Ag + K+K+ Cl - Ag

11 Représentation symbolique Notation générale

12 Le faraday, F 1 F : quantité délectricité transportée par 1 mole délectrons 1F = C.mol -1

13 Un (tout petit) peu délectricité Voilà !!!!! Cest tout !!!!!!!!!!

14 Réaction chimique et intensité du courant électrique ELECTRICITE Électron = Particule transportant la charge électrique CHIMIE Électron = espèce chimique participant à la réaction chimique

15 TABLEAU DAVANCEMENT Le système peut être étudié indifféremment à partir de 3 réactions : réaction globale réaction à lanode réaction à la cathode

16 TABLEAU DAVANCEMENT Réaction globale qté d'e- échang és en mol en mol Cu (s) + 2Ag + aq Cu 2+ aq + 2Ag (s) 2 EI n1n1n1n1 n2n2n2n2000 E Int n 1 -x n 2 -2x x2x2x EF n 1 -x f n 2 -2x f xfxfxfxf 2x f

17 TABLEAU DAVANCEMENT À lanode en mol en mol Cu (s) Cu 2+ aq + 2e - avancement EI n1n1n1n1000 E Int n 1 -x x2xx EF n 1 -x f xfxfxfxf 2x f xfxfxfxf

18 TABLEAU DAVANCEMENT À la cathode en mol Ag + aq + e-e-e-e- Ag (s) avancement EI n1n1n1n1 nenenene00 E Int n 1 -x n e -x xx EF n 1 -x f n e -x f = 0 xfxfxfxf xfxfxfxf Les électrons ne peuvent pas exister isolés. Cest donc un réactif limitant.

19 DUREE DE VIE DUNE PILE 3 paramètres limitent la durée de vie dune pile : La consommation de loxydant. Il ny a plus dions autour de la cathode. La consommation du réducteur. Il ny a plus danode. La consommation des ions du pont salin Le circuit est ouvert et lélectroneutralité nest plus assurée

20 DUREE DE VIE DUNE PILE 1.Détermination du réactif limitant. 2.Détermination de x f. 3.Détermination de n e, quantité de matière délectrons échangés. 4.Détermination de la charge électrique échangée. 5.Détermination de la durée de vie de la pile.

21 QUELQUES PILES USUELLES Pile Daniell Anode : Cathode :

22 QUELQUES PILES USUELLES Pile Leclanché Pile saline Anode :Zn 2+ aq /Zn (s) Cathode :MnO 2(s) /MnO(OH) (s) Pont salin :NH 4 + aq + Cl - aq Pile alcaline Anode :Zn 2+ aq /Zn (s) Cathode :MnO 2(s) /MnO(OH) (s) Pont salin :K + aq + HO - aq Pile au lithium Anode :Li + aq /Li (s) Cathode :MnO 2(s) /MnO(OH) (s)

23 QUELQUES PILES USUELLES Pile bouton Anode :Zn 2+ aq /Zn (s) Cathode :Ag 2 O (s) /Ag (s) Pile de concentration L'anode et la cathode sont constituées du même couple ox/red. Seule la concentration des espèces en solution varie. La solution la plus concentrée se trouve autour de la cathode. Une pile de concentration débite jusqu'à ce que les concentrations soient les mêmes dans les 2 demi-piles. Pile à combustible Anode :H + aq /H 2(g) Cathode :O 2 (g) /H 2 O

24 QUELQUES PILES USUELLES Accumulateur au plomb anode :couple Pb 2+ aq /Pb (s) oxydation cathode :couple PbO 2 (s) /Pb 2+ aq reduction Un accumulateur est une pile qu'on peut recharger.

25 Comment recharger un accumulateur au plomb ??? Pour recharger un accumulateur au plomb, il faut reformer les réactifs (Pb et PbO 2 ) Pour cela, on peut forcer la réaction à se faire dans le sens indirect. Pour qu'une réaction chimique se fasse dans le sens indirect, il faut apporter de l'énergie au système. Dans le cas d'une réaction d'oxydoréduction, l'énergie est apportée par un générateur électrique, et la transformation est appelée ELECTROLYSE. Rq :On gardera l'exemple de l'accumulateur au plomb pour la suite.

26 ELECTROLYSE Schéma de principe G +- Le générateur impose le sens de circulation des électrons. Solution contenant des ions Pb 2+ e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- gain d'électrons REDUCTION CATHODE perte d'électrons OXYDATION ANODE

27 TABLEAU DAVANCEMENT Le système peut être étudié indifféremment à partir de 3 réactions : réaction globale réaction à lanode réaction à la cathode

28 TABLEAU DAVANCEMENT Réaction globale qté d'e - échangés en mol en mol 2Pb 2+ aq + 2H 2 O (l) Pb (s) + PbO 2(s) + 4H + aq 2 EIn000 E Int n-xxx2x EF n-x f xfxfxfxf xfxfxfxf 2x f

29 TABLEAU DAVANCEMENT À la cathode en mol en mol Pb 2+ aq + 2e - Pb (s ) avancement EI n1n1n1n1 nenenene00 E Int n 1 -x n e -2x xx EF n 1 -x f n e -2x f = 0 xfxfxfxf xfxfxfxf Les électrons ne peuvent pas exister isolés. Cest donc un réactif limitant.

30 TABLEAU DAVANCEMENT À la cathode en mol Pb 2+ aq + 2H 2 O (l) PbO 2(s) + 4H + aq + 2e - avancement EI n1n1n1n1000 E Int n 1 -x x2xx EF n 1 -x f xfxfxfxf 2x f xfxfxfxf

31 Un (tout petit) peu délectricité Des fois que vous auriez oublié !!!!!

32 Re… Le faraday, F 1 F : quantité délectricité transportée par 1 mole délectrons 1F = C.mol -1

33 Un peu de chimie (à peine plus) Mais vous saviez tout cela, bien sûr !!!!!

34 MASSE D'UN SOLIDE 1. Détermination de la charge électrique transportée. 2. Calcul de la quantité de matière d'électrons transférés. 3. Détermination de l'avancement final, x f. 4. Détermination de la quantité de matière de solide formé. 5. Détermination de la masse de solide formé.

35 VOLUME D'UN GAZ 1. Détermination de la charge électrique transportée. 2. Calcul de la quantité de matière d'électrons transférés. 3. Détermination de l'avancement final, x f. 4. Détermination de la quantité de matière de gaz formé. 5. Détermination du volume de gaz formé.

36 CONCENTRATION D'UN SOLUTE 1. Détermination de la charge électrique transportée. 2. Calcul de la quantité de matière d'électrons transférés. 3. Détermination de l'avancement final, x f. 4. Détermination de la quantité de matière de soluté formé. 5. Détermination de la concentration du soluté formé.


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