CHIMIE ET ELECTRICITE Piles Electrolyse

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.

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

Déplacement d'électrons  courant électrique

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

LES PILES

La pile de Volta servira de support pour la suite 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

2Ag+aq + Cu(s)  2Ag(s) + Cu2+aq Réactions mises en jeu Couples mis en jeu : Ag+aq/Ag(s) : Ag+aq + e- = Ag(s) Cu2+aq/Cu(s) : Cu2+aq + 2e- = Cu(s) Réactions possibles : 2Ag+aq + Cu(s)  2Ag(s) + Cu2+aq K1 = 3.1015 2Ag(s) + Cu2+aq  2Ag+aq + Cu(s) K2 = 3.10-16 2Ag+aq + Cu(s)  2Ag(s) + Cu2+aq

!!! Circuit ouvert : pas de circulation de courant électrique !!! Modélisation L'ensemble {couple oxydant–réducteur + électrode} constitue une demi-pile. R ANODE CATHODE OXYDATION REDUCTION pont salin contient des ions Cu(s) Ag(s) Ag+aq + e-  Ag(s) Cu(s)  Cu2+aq + 2e- Cu2+aq Ag+aq 2Ag+aq + Cu(s)  2Ag(s) + Cu2+aq !!! Circuit ouvert : pas de circulation de courant électrique !!!

Interprétation R Borne - Borne + ANODE CATHODE OXYDATION REDUCTION K+ Cl- pont salin fermeture du circuit électroneutralité des solutions Cu(s) Ag(s) Ag+aq + e-  Ag(s) Cu(s)  Cu2+aq + 2e- Ag e- Cu2+ Cu2+aq Ag+ Ag+aq 2Ag+aq + Cu(s)  2Ag(s) + Cu2+aq

Représentation symbolique Notation générale

1 F : quantité d’électricité transportée par 1 mole d’électrons Le faraday, F 1 F : quantité d’électricité transportée par 1 mole d’électrons 1F = 96500 C.mol-1

Un (tout petit) peu d’électricité Voilà !!!!! C’est tout !!!!!!!!!!

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

Le système peut être étudié indifféremment à partir de 3 réactions : TABLEAU D’AVANCEMENT Le système peut être étudié indifféremment à partir de 3 réactions : réaction globale réaction à l’anode réaction à la cathode

TABLEAU D’AVANCEMENT Réaction globale qté d'e- échangés en mol  Cu(s) + 2Ag+aq ® Cu2+aq 2Ag(s) 2 EI n1 n2 E Int n1-x n2-2x x 2x EF n1-xf n2-2xf xf 2xf

TABLEAU D’AVANCEMENT À l’anode  en mol Cu(s) ® Cu2+aq + 2e- avancement EI n1 E Int n1-x x 2x EF n1-xf xf 2xf

TABLEAU D’AVANCEMENT À la cathode en mol Ag+aq + e- ® Ag(s) avancement EI n1 ne E Int n1-x ne-x x EF n1-xf ne-xf = 0 xf Les électrons ne peuvent pas exister isolés. C’est donc un réactif limitant.

3 paramètres limitent la durée de vie d’une pile : DUREE DE VIE D’UNE PILE 3 paramètres limitent la durée de vie d’une pile : La consommation de l’oxydant. Il n’y a plus d’ions autour de la cathode. La consommation du réducteur. Il n’y a plus d’anode. La consommation des ions du pont salin Le circuit est ouvert et l’électroneutralité n’est plus assurée

DUREE DE VIE D’UNE PILE Détermination du réactif limitant. Détermination de xf. Détermination de ne, quantité de matière d’électrons échangés. Détermination de la charge électrique échangée. Détermination de la durée de vie de la pile.

QUELQUES PILES USUELLES Pile Daniell Anode : Cathode :

QUELQUES PILES USUELLES Pile Leclanché Pile saline Anode : Zn2+aq/Zn(s) Cathode : MnO2(s)/MnO(OH)(s) Pont salin : NH4+aq + Cl-aq Pile alcaline Pont salin : K+aq + HO-aq Pile au lithium Anode : Li+aq/Li(s)

QUELQUES PILES USUELLES Pile bouton Anode : Zn2+aq/Zn(s) Cathode : Ag2O (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/H2(g) Cathode : O2 (g)/H2O

Un accumulateur est une pile qu'on peut recharger. QUELQUES PILES USUELLES Accumulateur au plomb cathode : couple PbO2 (s)/Pb2+aq reduction anode : couple Pb2+aq/Pb(s) oxydation Un accumulateur est une pile qu'on peut recharger.

Comment recharger un accumulateur au plomb ??? Pour recharger un accumulateur au plomb, il faut reformer les réactifs (Pb et PbO2) 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.

Le générateur impose le sens de circulation des électrons. ELECTROLYSE Schéma de principe Le générateur impose le sens de circulation des électrons. + G - e- e- e- e- e- e- e- perte d'électrons gain d'électrons OXYDATION REDUCTION ANODE CATHODE e- Solution contenant des ions Pb2+

Le système peut être étudié indifféremment à partir de 3 réactions : TABLEAU D’AVANCEMENT Le système peut être étudié indifféremment à partir de 3 réactions : réaction globale réaction à l’anode réaction à la cathode

TABLEAU D’AVANCEMENT Réaction globale qté d'e- échangés en mol  2Pb2+aq + 2H2O(l) ® Pb(s) PbO2(s) 4H+aq 2 EI n E Int n-x x 2x EF n-xf xf 2xf

TABLEAU D’AVANCEMENT À la cathode  en mol Pb2+aq + 2e- ® Pb(s) avancement EI n1 ne E Int n1-x ne-2x x EF n1-xf ne-2xf = 0 xf Les électrons ne peuvent pas exister isolés. C’est donc un réactif limitant.

TABLEAU D’AVANCEMENT À la cathode en mol Pb2+aq + 2H2O(l) ® PbO2(s) 4H+aq 2e- avancement EI n1 E Int n1-x x 2x EF n1-xf xf 2xf

Un (tout petit) peu d’électricité Des fois que vous auriez oublié !!!!!

1 F : quantité d’électricité transportée par 1 mole d’électrons Re… Le faraday, F 1 F : quantité d’électricité transportée par 1 mole d’électrons 1F = 96500 C.mol-1

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

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, xf. 4. Détermination de la quantité de matière de solide formé. 5. Détermination de la masse de solide formé.

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, xf. 4. Détermination de la quantité de matière de gaz formé. 5. Détermination du volume de gaz formé.

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, xf. 4. Détermination de la quantité de matière de soluté formé. 5. Détermination de la concentration du soluté formé.