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LES PILES. TRANSFERT SPONTANÉ D’ ÉLECTRONS. TRANSFERT SPONTANÉ DIRECT: Espèces chimiques en contact.

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1 LES PILES

2 TRANSFERT SPONTANÉ D’ ÉLECTRONS.

3 TRANSFERT SPONTANÉ DIRECT: Espèces chimiques en contact.

4 Le système étudié: Il est constitué:   d’une solution de sulfate de cuivre (II) de concentration apportée C = 0,05 mol.L -1,   d’une solution de sulfate de zinc (II) de concentration apportée C = 0,05 mol.L -1, .  de cuivre et de zinc métalliques.

5 Les couples en présence:  Cu 2+ (aq) / Cu (s)  Zn 2+ (aq) / Zn (s)

6 Les demi équations électroniques :  Cu 2+ (aq) + 2e - = Cu (s)  Zn 2+ (aq) + 2e - = Zn (s)

7 L’équation de la réaction susceptible de se produire en considérant l’ion cuivre (II) comme un réactif :

8 Cu 2+ (aq) + Zn (s) = Cu (s) + Zn 2+ (aq) Sa constante d’équilibre vaut : K = 1,9×10 37

9 Quotient de réaction initial :

10 Critère d’évolution spontanée Qr,i K ; le système va évoluer spontanément dans le sens sens de l’équation de la réaction d’oxydoréduction direct direct <

11 EXPÉRIENCE 10 mL de solution de sulfate de cuivre (II) à 0,1 mol.L mL de solution de sulfate de zinc (II) à 0,1 mol.L -1 Lame de zinc Lame de cuivre

12 On observe bien conformément au critère un dépôt de cuivre sur la lame de zinc.

13 TRANSFERT SPONTANÉ INDIRECT: Espèces chimiques séparées.

14 EXPÉRIENCE A Lame de zinc Lame de cuivre Solution de sulfate de zinc à 0,1 mol.L -1 Solution de sulfate de cuivre (II) à 0,1 mol.L -1 Papier filtre imbibé de solution de nitrate de potassium R COM I + -

15 Porteurs de charge responsables du passage du courant dans les différentes parties de ce circuit.  Dans les métaux et les conducteurs métalliques les porteurs de charges sont : les électrons  Dans les solutions aqueuses ioniques les porteurs de charges sont : les ions

16 A R Électron Courant Zn 2+ Cu 2+ SO 4 2- K+K+ NO 3 - COM + -

17 A R Électron Courant Zn 2+ Cu 2+ SO 4 2- K+K+ NO 3 - COM + - porteur

18 Que se passe-t-il au niveau des plaques métalliques ? Que se passe-t-il au niveau des plaques métalliques ?  Au niveau de la plaque de zinc : Cu 2+ (aq) + 2e - = Cu (s)  Au niveau de la plaque de cuivre: Zn (s) = Zn 2+ (aq) + 2e -

19 Le bilan: Cu 2+ (aq) + Zn (s) = Cu (s) + Zn 2+ (aq)

20 Conclusions  Les électrons n’existent pas en solution aqueuse.  L’échange est indirect par l’intermédiaire du circuit extérieur.  Le sens d’évolution du système est le même que pour le transfert direct.

21  Des ions Cu 2+ sont ; leur concentration.  Des ions Zn 2+ sont ; leur concentration.  L’ des deux solutions est maintenue grâce au déplacement des dans le pont salin. dans le pont salin. diminue consommés formés augmente électroneutralité ions

22 CONSTITUTION ET FONCTIONNEMENT D’UNE PILE

23 CONSTITUTION

24 Demi-pile 1 demi-pile 2Pont salin M n’+ | M’M | M n+ || Cu 2+ (aq) | Cu (s) Zn (s) |Zn 2+ (aq) || - + A gauche

25  Une demi pile est constituée par une plaque du métal M plongeant dans une solution contenant des ions métalliques M n+ (aq).  La plaque de métal est appelée Electrode  Deux demi piles reliées par un pont salin constituent un générateur électrochimique aussi appelé pile.

26 FORCE ELECTROMOTRICE D’UNE PILE

27 Définition

28 MESURE V + - COM U PN = E E ≈ 1,1 V

29 Évolution spontanée d’une pile

30 Lorsqu’elle débite, une pile est un système hors équilibre. Le critère d’évolution permet de prévoir le sens d’évolution spontané du système chimique constituant la pile et le sens de déplacement des porteurs de charge.

31 MÉTHODE Pour la pile Cu 2+ (aq) | Cu (s) Zn (s) |Zn 2+ (aq) ||

32 On écrit l’équation de la réaction susceptible de se produire On écrit l’équation de la réaction susceptible de se produire Cu 2+ (aq) + Zn (s) = Cu (s) + Zn 2+ (aq) On détermine le quotient de réaction initial. On compare Q r,i à K : Qr,i < K

33  On en déduit le sens d’évolution spontané du système : Évolution dans le sens direct de l’équation d’oxydoréduction.

34 On détermine les bornes + et - de pile en considérant le sens des électrons dans le circuit extérieur : Le métal zinc est oxydé, il fournit les électrons aux ions cuivre (II). Les électrons sortent par l’électrode de zinc, C’est la borne négative de la pile.

35 LA PILE A L’EQUILIBRE Lorsque la pile débite, le système évolue vers son état d’équilibre. La f.e.m. diminue pour s’annuler dans l’état d’équilibre. Une pile à l’équilibre est une pile « usée » qui ne peut plus débiter de courant. Q r,éq = K ; E éq = 0 et I éq = 0

36 QUANTITE D’ELECTRICITE FOURNIE

37 Définitions La quantité d'électricité Q mise en jeu au cours du fonctionnement d'un générateur électrochimique est égale à la valeur absolue de la charge totale des électrons échangés. Q (C) = n(e - ) (mol) ×N A (mol -1 ) ×e (C) n(e - ) : Quantité d’électrons échangée (mol). N A : Constante d’Avogadro (mol -1 ). e : charge élémentaire = 1,60 × C

38 Une pile, débitant un courant d'intensité constante I pendant une durée  t, fait circuler une quantité d'électricité: Q (C) = I (A) ×  t (s) La capacité d'une pile est la quantité d'électricité maximale qu'elle peut fournir.

39 La valeur absolue de la charge d'une mole d'électron est appelée faraday., de symbole F : F = N A (mol-1) × e (C) F = 6,02×10 23 × 1, F = 9,65 × 10 4 C.mol -1 DONC Q (C) = n(e - ) (mol) ×F (C.mol -1 )

40 Quantité d’électricité et quantité de marière

41 Soit la pile : - Cu (s) | Cu 2+ (aq) || Ag + (aq) | Ag (s) + - Cu (s) | Cu 2+ (aq) || Ag + (aq) | Ag (s) + Le métal fournit fournit les électrons aux ions. aux ions. cuivre argent

42 Au pôle négatif se produit une Au pôle positif se produit une Le système évolue dans le sens de l'équation de la réaction: Cu (s) = Cu 2+ (aq) + 2e - Réduction Oxydation Ag + (aq) + e - = Ag (s) direct

43 2 Ag + (aq) + Cu (s) = Cu 2+ (aq) + 2 Ag (s)

44 Supposons que, pendant la durée  t = 1,5 min, la pile débite une intensité, considérée constante, I = 86,0 mA. La quantité d'électricité Q mise en jeu vaut:

45 Equation Electrons échangés État initial Encours 2 Ag + (aq) + Cu (s) = Cu 2+ (aq) + 2 Ag (s) n i (Ag + ) n i (Cu) n i (Cu 2+ ) n i (Ag) 0 n i (Ag + ) n i (Cu) n i (Cu 2+ ) n i (Ag) - - x 2x2x2x2x + x + 2x2x2x2x 2x2x2x2x

46 D’après le tableau, la quantité d'électron échangés entre les deux états est égale à : n(e - ) = 2x Cette quantité d'électrons échangés est reliée à la quantité d'électricité mise en jeu par : On en déduit

47 D'où les variations de quantités de matière pendant  t :  Δn(Ag) = n(Ag) - n i (Ag) =  Δn(Cu 2+ ) = n(Cu 2+ ) - n i (Cu 2+ ) =  Δn(Ag+) = n(Ag+) - n i (Ag+) =  Δn(Cu) = n(Cu) - n i (Cu) = 2x2x2x2x x - 2x - x


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