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Transformation forcée: l'électrolyse 1. Réaction spontanée entre le cuivre (métal) et le dibrome en solution aqueuse. L'équation de cette réaction est:

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1 Transformation forcée: l'électrolyse 1. Réaction spontanée entre le cuivre (métal) et le dibrome en solution aqueuse. L'équation de cette réaction est: Cu + Br 2 = Cu Br - avec: K = 1, tournure de cuivre (Cu) et du dibrome (Br 2 ) en solution aqueuse ([Br 2 ] i =1, mol.L -1 ). La solution initialement jaune (couleur du dibrome en solution aqueuse) se colore progressivement en bleu (couleur d'une solution aqueuse d'ions Cu 2+ ) et le cuivre métallique disparaît. CES OBSERVATIONS permettent de conclure pour les sens d’évolution de cette transformation Qr i =0 K >> 10 4 la réaction est quasi totale dans le sens direct de l'équation. Le taux d'avancement final est très proche de 1 (100%).

2 2. Transformation forcée.

3 L ’électrolyse cuivre / brome T. DULAURANS

4 Électrolyse cuivre / brome Électrodes en graphite Solution de bromure de cuivre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - On place une solution de bromure de cuivre II dans un tube en U et on plonge des électrodes de graphite dans la solution

5 Électrolyse cuivre / brome Électrodes en graphite Solution de bromure de cuivre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - On relie les électrodes par un circuit électrique contenant un générateur générateur

6 Électrolyse cuivre / brome Électrodes en graphite Solution de bromure de cuivre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Le générateur impose le sens du courant électrique générateur i i

7 Électrolyse cuivre / brome Électrodes en graphite Solution de bromure de cuivre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Dans les conducteurs, le courant est créé par la circulation des électrons générateur i i e-e- e-e- e-e-

8 Électrolyse cuivre / brome Électrodes en graphite Solution de bromure de cuivre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Dans la solution, le courant est créé par la circulation des ions générateur i i e-e- e-e- e-e-

9 Électrolyse cuivre / brome Électrodes en graphite Solution de bromure de cuivre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Les anions se déplacent dans le sens des électrons générateur i i e-e- e-e- e-e- Déplacement des anions

10 Électrolyse cuivre / brome Électrodes en graphite Solution de bromure de cuivre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Les cations se déplacent dans le sens du courant générateur i i e-e- e-e- e-e- Déplacement des anions Déplacement des cations

11 Électrolyse cuivre / brome Solution de bromure de cuivre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Les électrons sont libérés par l ’oxydation des ions Br - générateur i i e-e- e-e- e-e- Déplacement des anions Déplacement des cations Oxydation 2 Br - = Br e -

12 Électrolyse cuivre / brome Solution de bromure de cuivre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Les électrons sont libérés par l ’oxydation des ions Br - générateur i i e-e- e-e- e-e- Déplacement des anions Déplacement des cations Oxydation 2 Br - = Br e -

13 Électrolyse cuivre / brome Solution de bromure de cuivre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Les électrons sont consommés par la réduction des ions Cu 2+ générateur i i e-e- e-e- e-e- Oxydation 2 Br - = Br e - Déplacement des anions Déplacement des cations Réduction Cu e - = Cu

14 Électrolyse cuivre / brome Solution de bromure de cuivre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Les électrons sont consommés par la réduction des ions Cu 2+ générateur i i e-e- e-e- e-e- Oxydation 2 Br - = Br e - Déplacement des anions Déplacement des cations Réduction Cu e - = Cu

15 Électrolyse cuivre / brome Solution de bromure de cuivre (II) : Cu 2+ ; 2 Br - Cela permet de définir la nature des électrodes générateur i i e-e- e-e- e-e- Oxydation 2 Br - = Br e - Déplacement des anions Déplacement des cations Réduction Cu e - = Cu ANODE CATHODE

16 L’ANODE est l’électrode sur laquelle se produit l’OXYDATION. La CATHODE est l’électrode sur laquelle se produit la REDUCTION.

17 Réduction à la cathode Cu e - = Cu Oxydation à l’anode 2 Br - = Br e - L’équation est celle du fonctionnement forcé : Équation 2 Br - + Cu 2+ = Br 2 + Cu Formation de Br 2 Formation de Cu Électrolyse cuivre / brome

18 Généralisation. Lorsqu'un générateur de tension continue impose dans un système chimique un courant de sens inverse à celui qui est observé lorsque le système évolue spontanément (pile), il peut imposer à ce système d'évoluer dans le sens inverse de son sens d'évolution spontanée Cette transformation forcée est appelée électrolyse. L'electrode à laquelle se produit une oxydation est appelée anode L'électrode à laquelle se produit une réduction est appelée cathode.

19

20 L'électrolyse est une transformation forcée qui n'a lieu que si un générateur électrique fournit une énergie suffisante pour que puissent se produire simultanément une oxydation à l'anode et une réduction à la cathode. Trois réactions peuvent se produire à l'anode : - l'oxydation des anions contenus dans la solution : A m+ = A + m e- - l'oxydation des molécule d'eau : 2 H 2 O=O H + (aq) + 4 e- - l'oxydation du matériau constituant l'électrode : M=M n+ + n e- Deux réactions peuvent se produire à la cathode : - la réduction des cations contenus dans la solution : C p+ + p e- =C - la réduction des molécules d'eau : 2 H 2 O + 2 e- = H HO - La connaissance de la nature des espèces formées permet de déterminer l'équation de la réaction globale d'électrolyse. Les quantités de matière formées aux électrodes sont proportionnelles à la quantité d'électricité qui a traversé le circuit

21 3.2. Électrolyse d'une solution de chlorure de sodium Montage et observations.

22 Interprétation. Inventaire des espèces chimiques présentes et pouvant intervenir: les ions sodium (Na + ) les ions chlorure (Cl - ) Le solvant (H 2 O) le carbone (C) des électrodes ne jouent pas de rôle ici, les électrodes sont dites inertes.

23 Ecrire les couples Ox/Red H 2 O / H 2 Na + / Na O 2 / H 2 O. Cl 2 / Cl - Comparer avec les résultats de l’expérience La décoloration de l'indigo au voisinage de l'anode indique qu'il y a apparition de dichlore: 2Cl - = Cl 2 + 2e - La coloration de la phénolphtaléine au voisinage de la cathode indique qu'il y a apparition d'ions hydroxyde HO -. 2H 2 O + 2e - = H 2 + 2HO - BILAN : 2H 2 O + 2Cl - = Cl 2 + H 2 + 2HO -

24 IV. Réactions spontanées et réactions forcées dans le monde vivant. La respiration. C'est un processus biologique dont le déroulement complexe passe par la dégradation d'un nutriment organique. Il apparaît une succession de réactions d'oxydoréduction mettant en jeu le dioxygène. Elle a, entre autres, pour effet de synthétiser la molécule d'ATP, réservoir d'énergie des cellules. Par exemple: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O C'est une réaction spontanée dans le sens direct. La synthèse chlorophyllienne. Il s'agit de la synthèse de matière organique avec l'aide de la lumière par les végétaux dits"chlorophylliens". 6CO 2 + 6H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Il s'agit de la réaction inverse de la précédente (respiration). C'est donc nécessairement une réaction forcée. L'énergie nécessaire est apportée par la lumière.

25 T. DULAURANS L ’accumulateur au plomb

26 L'accumulateur au plomb Électrode en plomb Solution concentrée d’acide sulfurique : 2 H + ; SO Deux électrodes en plomb sont dans une solution d’acide sulfurique Électrode en plomb

27 L'accumulateur au plomb Électrode en plomb Solution concentrée d’acide sulfurique : 2 H + ; SO L’une des électrodes est recouverte d’oxyde de plomb PbO 2 Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb

28 L'accumulateur au plomb Électrode en plomb Solution concentrée d’acide sulfurique : 2 H + ; SO Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Des connecteurs permettent de relier les électrodes à un circuit électrique

29 L'accumulateur au plomb Électrode en plomb Solution concentrée d’acide sulfurique : 2 H + ; SO Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Le fonctionnement met en jeu deux couples rédox PbO 2 /Pb 2+ Pb 2+ /Pb

30 L'accumulateur au plomb Cet accumulateur peut fonctionner de deux façons : Pile spontanée générateur décharge Électrolyse forcée récepteur charge transformation type de dipôle fonctionnement

31 L'accumulateur au plomb Cet accumulateur peut fonctionner de deux façons : Pile spontanée générateur décharge Électrolyse forcée récepteur charge transformation type de dipôle fonctionnement

32 L'accumulateur au plomb Cet accumulateur peut fonctionner de deux façons : Pile spontanée générateur décharge Électrolyse forcée récepteur charge transformation type de dipôle fonctionnement

33 L'accumulateur au plomb Cet accumulateur peut fonctionner de deux façons : Pile spontanée générateur décharge Électrolyse forcée récepteur charge transformation type de dipôle fonctionnement

34 L'accumulateur au plomb Lors de la décharge, l’accumulateur se comporte comme une pile. Étude de la décharge

35 Décharge de l'accumulateur au plomb Électrode en plomb Solution concentrée d’acide sulfurique : 2 H + ; SO Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb On relie les bornes par un circuit électrique mA COM A R

36 Décharge de l'accumulateur au plomb Électrode en plomb Solution concentrée d’acide sulfurique : 2 H + ; SO Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb L’ampèremètre mesure une intensité positive mA COM A R i i i

37 Décharge de l'accumulateur au plomb Électrode en plomb Solution concentrée d’acide sulfurique : 2 H + ; SO Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Cela permet de définir les polarités des bornes mA COM A R i i i

38 Décharge de l'accumulateur au plomb Électrode en plomb Solution concentrée d’acide sulfurique : 2 H + ; SO Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Dans le circuit électrique, le courant est du à la circulation des électrons mA COM A R i i i e-e- e-e-

39 Décharge de l'accumulateur au plomb Les électrons sont libérés par l’oxydation du plomb mA COM A R i i i e-e- e-e- Oxydation Pb = Pb e - 2e - Pb 2+ Pb

40 Décharge de l'accumulateur au plomb Cela consomme le plomb de l’électrode mA COM A R i i i e-e- e-e- Oxydation Pb = Pb e - 2e - Pb 2+ Pb

41 Décharge de l'accumulateur au plomb Cela consomme le plomb de l’électrode mA COM A R i i i e-e- e-e- Oxydation Pb = Pb e - 2e - Pb 2+ Pb

42 Décharge de l'accumulateur au plomb Les électrons sont consommés par la réduction de l’oxyde de plomb mA COM A R i i i e-e- e-e- Réduction PbO H e - = Pb H 2 O 2e - Pb 2+ PbO 2 Oxydation Pb = Pb e - 2e - Pb 2+ Pb

43 Décharge de l'accumulateur au plomb Cela consomme l’oxyde de plomb qui recouvre l’électrode mA COM A R i i i e-e- e-e- Réduction PbO H e - = Pb H 2 O Oxydation Pb = Pb e - 2e - Pb 2+ PbO 2 2e - Pb 2+ Pb

44 Décharge de l'accumulateur au plomb Cela consomme l’oxyde de plomb qui recouvre l’électrode mA COM A R i i i e-e- e-e- Réduction PbO H e - = Pb H 2 O Oxydation Pb = Pb e - 2e - Pb 2+ PbO 2 2e - Pb 2+ Pb

45 Décharge de l'accumulateur au plomb Cela permet de définir la nature des électrodes mA COM A R i i i e-e- e-e- Réduction PbO H e - = Pb H 2 O Oxydation Pb = Pb e - CATHODE ANODE 2e - Pb 2+ PbO 2 2e - Pb 2+ Pb

46 L’ANODE est l’électrode sur laquelle se produit l’OXYDATION. La CATHODE est l’électrode sur laquelle se produit la REDUCTION.

47 Oxydation à l’anode Pb = Pb e - L’équation est celle du fonctionnement spontané : Équation PbO 2 + Pb + 4 H + = 2 Pb H 2 O Décharge de l'accumulateur au plomb Réduction à la cathode PbO H e - = Pb H 2 O borne -borne + La décharge de l’accumulateur au plomb consomme les solides des électrodes et des ions H + de l’électrolyte (le pH augmente).

48 L'accumulateur au plomb Lors de la charge, il se produit une électrolyse. Il faut utiliser un générateur pour «charger» l’accumulateur. Étude de la charge

49 Charge de l'accumulateur au plomb Électrode en plomb Solution concentrée d’acide sulfurique : 2 H + ; SO Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb On relie les bornes par un circuit électrique contenant un générateur générateur La borne + du générateur est reliée à l’électrode d’oxyde de plomb

50 Charge de l'accumulateur au plomb Électrode en plomb Solution concentrée d’acide sulfurique : 2 H + ; SO Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Le générateur impose le sens du courant générateur i i

51 Charge de l'accumulateur au plomb Électrode en plomb Solution concentrée d’acide sulfurique : 2 H + ; SO Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb générateur Dans le circuit électrique, le courant est du à la circulation des électrons e-e- e-e- i i

52 Charge de l'accumulateur au plomb générateur Les électrons sont consommés par la réduction des ions plomb II e-e- e-e- i i Réduction Pb e - = Pb 2e - Pb 2+ Pb

53 Charge de l'accumulateur au plomb générateur Cela forme du plomb solide qui se dépose sur l’électrode e-e- e-e- i i Réduction Pb e - = Pb 2e - Pb 2+ Pb

54 Charge de l'accumulateur au plomb générateur Cela forme du plomb solide qui se dépose sur l’électrode e-e- e-e- i i Réduction Pb e - = Pb 2e - Pb 2+ Pb

55 Charge de l'accumulateur au plomb générateur e-e- e-e- i i Réduction Pb e - = Pb Oxydation Pb H 2 O = PbO H e - 2e - Pb 2+ PbO 2 Les électrons sont libérés par l’oxydation des ions plomb II 2e - Pb 2+ Pb

56 Charge de l'accumulateur au plomb générateur e-e- e-e- i i Réduction Pb e - = Pb Oxydation Pb H 2 O = PbO H e - Cela forme de l’oxyde de plomb qui se dépose sur l’électrode 2e - Pb 2+ PbO 2 2e - Pb 2+ Pb

57 Charge de l'accumulateur au plomb générateur e-e- e-e- i i Réduction Pb e - = Pb Oxydation Pb H 2 O = PbO H e - Cela forme de l’oxyde de plomb qui se dépose sur l’électrode 2e - Pb 2+ PbO 2 2e - Pb 2+ Pb

58 Charge de l'accumulateur au plomb générateur e-e- e-e- i i Réduction Pb e - = Pb Oxydation Pb H 2 O = PbO H e - Cela permet de définir la nature des électrodes CATHODE ANODE 2e - Pb 2+ PbO 2 2e - Pb 2+ Pb

59 L’ANODE est l’électrode sur laquelle se produit l’OXYDATION. La CATHODE est l’électrode sur laquelle se produit la REDUCTION.

60 Oxydation à l’anode Pb H 2 O = PbO H e - L’équation est celle du fonctionnement forcé : Équation 2 Pb H 2 O = PbO 2 + Pb + 4 H + Charge de l'accumulateur au plomb Réduction à la cathode Pb e - = Pb La charge de l’accumulateur au plomb forme les solides des électrodes et des ions H + de l’électrolyte (le pH diminue).

61 L'accumulateur au plomb Décharge spontanée pile anode - de la pile cathode + de la pile Charge forcée récepteur cathode reliée au - du générateur anode reliée au + du générateur transformation type de dipôle électrode de Pb électrode de PbO 2

62 L'accumulateur au plomb Décharge spontanée générateur anode - de la pile cathode + de la pile Charge forcée récepteur cathode reliée au - du générateur anode reliée au + du générateur transformation type de dipôle électrode de Pb électrode de PbO 2

63 L'accumulateur au plomb Décharge spontanée générateur anode - de la pile cathode + de la pile Charge forcée récepteur cathode reliée au - du générateur anode reliée au + du générateur transformation type de dipôle électrode de Pb électrode de PbO 2

64 L'accumulateur au plomb Décharge spontanée générateur anode - de la pile cathode + de la pile Charge forcée récepteur cathode reliée au - du générateur anode reliée au + du générateur transformation type de dipôle électrode de Pb électrode de PbO 2

65 Les accumulateurs Il n’y a pas que des accumulateurs au plomb. Il existe de nombreux autres types d’accumulateurs : - nickel-cadmium (Ni-Cd) - nickel-hydrure métallique (Ni-MH) - lithium-ion (Li-ion)... L’expression « pile rechargeable » est souvent utilisée à tort pour désigner un accumulateur. Les batteries comme celle de démarrage des automobiles ou celles des téléphones portables sont constituées de plusieurs accumulateurs associés en série (pour augmenter la f.é.m.) et/ou en parallèle (pour augmenter l’énergie emmagasinée).


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