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1 Caractère spontané dune transformation mettant en jeu des réactions doxydo-réduction Objectifs : - Déterminer le sens de lévolution spontanée dune transformation.

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1 1 Caractère spontané dune transformation mettant en jeu des réactions doxydo-réduction Objectifs : - Déterminer le sens de lévolution spontanée dune transformation mettant en jeu les couples Métal n+ /Métal suivants : Cu 2+ /Cu et Zn 2+ /Zn. - Construire un dispositif permettant de récupérer, sous forme dénergie électrique, lénergie transférée au cours de la transformation chimique.

2 2 Évolution dun mélange comportant Cu 2+, Cu, Zn 2+ et Zn Dans un becher comportant les espèces Cu 2+ (aq) et Zn 2+ (aq) et les espèces Cu(s) et Zn(s), deux réactions inverses lune de lautre sont susceptibles de se produire : Cu 2+ (aq) + Zn(s) = Cu(s) + Zn 2+ (aq) Pour déterminer le sens dévolution spontanée du système, il est nécessaire de connaître la constante déquilibre K et composition initiale du mélange.

3 3 Constante déquilibre et conditions initiales Cu 2+ (aq) + Zn(s) = Cu(s) + Zn 2+ (aq) La réaction chimique ainsi écrite a pour constante déquilibre K = Choisissons [Cu 2+ ] = [Zn 2+ ] = 1,0 mol/L. Quotient de réaction initial : Q ri = [Zn 2+ ] i /[Cu 2+ ] i = 1 Q ri < K, la transformation devrait donc se produire spontanément dans le sens direct.

4 4 Vérification expérimentale La transformation sest faite dans le sens prévu en libérant de lénergie par transfert thermique ! État initial Zn 2+ Zn Cu Cu 2+ État Final Cu

5 5 Situation problème : Comment contrôler léchange délectrons ? Placer dans deux bechers différents les espèces des couples Cu 2+ /Cu et Zn 2+ /Zn. Peut-on réaliser léchange délectrons entre les ions Cu 2+ et les atomes de Zn et comment lobserver ? Disposer entre les deux électrodes un fil conducteur et un ampèremètre. Zn Zn 2+ Cu Cu 2+ A

6 6 Aucun déplacement délectrons entre les deux lames métalliques nest observé ! La transformation na pas lieu. Si tel était le cas, la neutralité électrique des solutions ne serait pas conservée ! Zn Zn 2+ Cu Cu A

7 7 Finalisation du dispositif : la pile Zn Zn 2+ Cu Cu 2+ A Papier imbibé de K + + NO 3 - « Pont salin » i e A Le courant passe ! Le système constitue une pile et produit de lénergie électrique. Le sens du courant électrique, du cuivre vers le zinc, est en accord avec le sens de la transformation prévu Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+ Intercaler, entre les deux bechers, un morceau de papier filtre imbibé de solution de nitrate de potassium K + + NO 3 -

8 8 Fonctionnement de la pile Cuivre/Zinc Pont salin Zn Cu conducteur les actes présentés comme successifs sont en fait simultanés NO 3 - K + NO 3 - K+K+ 2e- Cu 2+ 2e- Zn 2+ 2e- A I + - i Réduction Cu 2+ +2e - =Cu CATHODE Oxydation Zn=Zn 2+ +2e - ANODE

9 9 La pile Cuivre/Argent (prof) Ag Ag + 1 mol/L Cu Cu 2+ 1 mol/L Pont salin de K + + NO 3 - Cu + 2Ag + = Cu Ag Ainsi écrite, la réaction chimique a pour constante déquilibre K = Dans létat initial Q ri = [Cu 2+ ] i /[Ag + ] i 2 = 1

10 10 Sens de la transformation dans la pile Cuivre/Argent Rappel de léquation : Cu + 2Ag + = Cu Ag Q ri = [Cu 2+ ] i /[Ag + ] i 2 = 1 <<< K = La transformation se fait en sens direct. Ag Ag + Cu Cu 2+ Pont salin de K +, NO 3 - A e- i

11 11 La transformation est-elle totale ? Ag + + Cu = Ag + Cu 2+ À la surface des électrodes se produisent des échanges délectrons : Cu = Cu e - et 2Ag + + 2e - = Ag Dans létat initial Q ri = [Cu 2+ ] i /[Ag + ] i 2 = 1 À léquilibre Q réq = [Cu 2+ ] éq /[Ag + ] éq 2 = K = La transformation est donc quasiment totale.

12 12 F.é.m de la pile Cuivre/Zinc Zn Zn 2+ Cu Cu 2+ 1 V 2 Pont salin + - E Cu/Zn = V Cu – V Zn = 1,10 V Utiliser un voltmètre pour mesurer la différence de potentiel à vide entre les deux électrodes :

13 13 F.é.m de la pile Argent/Cuivre (prof) Ag Ag + Cu Cu 2+ V Pont salin - + E Ag/Cu = V Ag – V Cu = 0,46 V Les concentrations des espèces dissoutes étant fixées (1,0 mol/L), la f.é.m et la polarité dune pile dépendent de la nature des couples mis en jeu.

14 14 Situation problème : F.é.m de la pile Argent/Zinc (prof) Peut-on prévoir la f.é.m de la pile Argent/Zinc ? E Ag/Zn = V Ag – V Zn = V Ag – V Cu + V Cu – V Zn E Ag/Zn = E Ag/Cu + E Cu/Zn = 0,46 + 1,10 = 1,56 V Vérifier expérimentalement avec les concentrations [Zn 2+ ] = [Ag + ] = 1,0 mol/L Ag Ag + Zn Zn 2+ V Pont salin E Ag/Zn = V Ag – V Zn = 1,56 V + -

15 15 Rôle de la concentration des ions M n+ Ag Ag + 0,01 mol/L Cu Cu 2+ 1 mol/L V Pont salin - + E Ag/Cu = V Ag – V Cu = 0,35 V Réaliser une nouvelle pile en conservant la concentration des ions Cu 2+ mais en diminuant celle des ions Ag + (choisir plusieurs valeurs à répartir entre les élèves : 1,0.10 –1 mol/L ; 1,0.10 –2 mol/L ; 1,0.10 –3 mol/L) Mesurer la f.é.m de ces diverses piles.

16 16 Conclusion générale sur la f.é.m dune pile électrochimique La force électromotrice dune pile constituée à partir de deux couples du type Métal n+ /Métal est égale à la différence de potentiel (à vide) entre les deux électrodes. Le potentiel délectrode V M, mesuré par rapport à une référence, dépend de la nature du couple Métal n+ /Métal et croît avec la concentration de lespèce dissoute Métal n+.

17 17 Réalisation pratique dune pile Bornier à vis de serrage Cube de résine transparente Cylindres creux pour les solutions (environ 4 mL) électrode Pont salin dans un tube de verre


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