Transformation forcée: l'électrolyse 1. Réaction spontanée entre le cuivre (métal) et le dibrome en solution aqueuse. tournure de cuivre (Cu) et du dibrome (Br2) en solution aqueuse ([Br2]i=1,0.10-2 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 Cu2+) et le cuivre métallique disparaît. CES OBSERVATIONS permettent de conclure pour les sens d’évolution de cette transformation L'équation de cette réaction est: Cu + Br2 = Cu2+ + 2Br- avec: K = 1,2.1025 Qri =0 K >> 104 la réaction est quasi totale dans le sens direct de l'équation. Le taux d'avancement final est très proche de 1 (100%).

2. Transformation forcée.

L ’électrolyse cuivre / brome T. DULAURANS

Électrolyse cuivre / brome On place une solution de bromure de cuivre II dans un tube en U et on plonge des électrodes de graphite dans la solution Électrodes en graphite Solution de bromure de cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Électrolyse cuivre / brome On relie les électrodes par un circuit électrique contenant un générateur générateur Électrodes en graphite Solution de bromure de cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Électrolyse cuivre / brome Le générateur impose le sens du courant électrique générateur i Électrodes en graphite Solution de bromure de cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Électrolyse cuivre / brome Dans les conducteurs, le courant est créé par la circulation des électrons générateur e- i Électrodes en graphite Solution de bromure de cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Électrolyse cuivre / brome Dans la solution, le courant est créé par la circulation des ions générateur e- i Électrodes en graphite Solution de bromure de cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Électrolyse cuivre / brome Les anions se déplacent dans le sens des électrons générateur e- i Électrodes en graphite Déplacement des anions Solution de bromure de cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Électrolyse cuivre / brome Les cations se déplacent dans le sens du courant générateur e- i Électrodes en graphite Déplacement des anions Solution de bromure de cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br- Déplacement des cations

Électrolyse cuivre / brome Les électrons sont libérés par l ’oxydation des ions Br- générateur e- i Oxydation 2 Br- = Br2 + 2 e- Déplacement des anions Solution de bromure de cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br- Déplacement des cations

Électrolyse cuivre / brome Les électrons sont libérés par l ’oxydation des ions Br- générateur e- i Oxydation 2 Br- = Br2 + 2 e- Déplacement des anions Solution de bromure de cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br- Déplacement des cations

Électrolyse cuivre / brome Les électrons sont consommés par la réduction des ions Cu2+ générateur e- i Réduction Cu2+ + 2 e- = Cu Oxydation 2 Br- = Br2 + 2 e- Déplacement des anions Solution de bromure de cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br- Déplacement des cations

Électrolyse cuivre / brome Les électrons sont consommés par la réduction des ions Cu2+ générateur e- i Réduction Cu2+ + 2 e- = Cu Oxydation 2 Br- = Br2 + 2 e- Déplacement des anions Solution de bromure de cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br- Déplacement des cations

Électrolyse cuivre / brome Cela permet de définir la nature des électrodes générateur e- i CATHODE ANODE Réduction Cu2+ + 2 e- = Cu Oxydation 2 Br- = Br2 + 2 e- Déplacement des anions Solution de bromure de cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br- Déplacement des cations

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

Électrolyse cuivre / brome L’équation est celle du fonctionnement forcé : Formation de Br2 Oxydation à l’anode 2 Br- = Br2 + 2 e- Réduction à la cathode Cu2+ + 2 e- = Cu Formation de Cu Équation 2 Br- + Cu2+ = Br2 + Cu

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 .

Trois réactions peuvent se produire à l'anode : 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 H2O=O2 + 4 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 H2O + 2 e- = H2 + 2 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

3.2. Électrolyse d'une solution de chlorure de sodium. 3.2.1. Montage et observations.

3.2.2. Interprétation. Inventaire des espèces chimiques présentes et pouvant intervenir: les ions sodium (Na+) les ions chlorure (Cl-) Le solvant (H2O) le carbone (C) des électrodes ne jouent pas de rôle ici, les électrodes sont dites inertes.

Ecrire les couples Ox/Red 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: H2O / H2 O2 / H2O. 2Cl-           = Cl2 + 2e- Na+ / Na Cl2 / Cl- La coloration de la phénolphtaléine au voisinage de la cathode indique qu'il y a apparition  d'ions hydroxyde HO-. 2H2O + 2e- = H2 + 2HO- BILAN  : 2H2O + 2Cl- = Cl2 + H2 + 2HO-

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: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O 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". 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2 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.

L ’accumulateur au plomb T. DULAURANS

L'accumulateur au plomb Deux électrodes en plomb sont dans une solution d’acide sulfurique Électrode en plomb Électrode en plomb Solution concentrée d’acide sulfurique  : 2 H+ ; SO42-

L'accumulateur au plomb L’une des électrodes est recouverte d’oxyde de plomb PbO2 Électrode en plomb Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Solution concentrée d’acide sulfurique  : 2 H+ ; SO42-

L'accumulateur au plomb Des connecteurs permettent de relier les électrodes à un circuit électrique Électrode en plomb Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Solution concentrée d’acide sulfurique  : 2 H+ ; SO42-

L'accumulateur au plomb Le fonctionnement met en jeu deux couples rédox PbO2/Pb2+ Pb2+ /Pb Électrode en plomb Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Solution concentrée d’acide sulfurique  : 2 H+ ; SO42-

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

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

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

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

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

Décharge de l'accumulateur au plomb On relie les bornes par un circuit électrique mA COM A R Électrode en plomb Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Solution concentrée d’acide sulfurique  : 2 H+ ; SO42-

Décharge de l'accumulateur au plomb L’ampèremètre mesure une intensité positive mA COM R A i Électrode en plomb Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Solution concentrée d’acide sulfurique  : 2 H+ ; SO42-

Décharge de l'accumulateur au plomb Cela permet de définir les polarités des bornes mA COM R A i Électrode en plomb Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Solution concentrée d’acide sulfurique  : 2 H+ ; SO42-

Décharge de l'accumulateur au plomb Dans le circuit électrique, le courant est du à la circulation des électrons mA COM R A i e- Électrode en plomb Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Solution concentrée d’acide sulfurique  : 2 H+ ; SO42-

Décharge de l'accumulateur au plomb Les électrons sont libérés par l’oxydation du plomb mA COM R A i e- 2e- Pb2+ Pb Oxydation Pb = Pb2+ + 2 e-

Décharge de l'accumulateur au plomb Cela consomme le plomb de l’électrode mA COM R A i e- 2e- Pb2+ Pb Oxydation Pb = Pb2+ + 2 e-

Décharge de l'accumulateur au plomb Cela consomme le plomb de l’électrode mA COM R A i e- 2e- Pb2+ Pb Oxydation Pb = Pb2+ + 2 e-

Décharge de l'accumulateur au plomb Les électrons sont consommés par la réduction de l’oxyde de plomb mA COM R A i e- 2e- Pb2+ PbO2 2e- Pb2+ Pb Réduction PbO2 + 4 H+ + 2 e- = Pb2+ + 2 H2O Oxydation Pb = Pb2+ + 2 e-

Décharge de l'accumulateur au plomb Cela consomme l’oxyde de plomb qui recouvre l’électrode mA COM R A i e- 2e- Pb2+ PbO2 2e- Pb2+ Pb Réduction PbO2 + 4 H+ + 2 e- = Pb2+ + 2 H2O Oxydation Pb = Pb2+ + 2 e-

Décharge de l'accumulateur au plomb Cela consomme l’oxyde de plomb qui recouvre l’électrode mA COM R A i e- 2e- Pb2+ PbO2 2e- Pb2+ Pb Réduction PbO2 + 4 H+ + 2 e- = Pb2+ + 2 H2O Oxydation Pb = Pb2+ + 2 e-

Décharge de l'accumulateur au plomb Cela permet de définir la nature des électrodes mA COM R A i e- CATHODE 2e- Pb2+ PbO2 2e- Pb2+ Pb ANODE Réduction PbO2 + 4 H+ + 2 e- = Pb2+ + 2 H2O Oxydation Pb = Pb2+ + 2 e-

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

Décharge de l'accumulateur au plomb L’équation est celle du fonctionnement spontané : Oxydation à l’anode Pb = Pb2+ + 2 e- borne - Réduction à la cathode PbO2 + 4 H+ + 2 e- = Pb2+ + 2 H2O borne + Équation PbO2 + Pb + 4 H+ = 2 Pb2+ + 2 H2O La décharge de l’accumulateur au plomb consomme les solides des électrodes et des ions H+ de l’électrolyte (le pH augmente).

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

Charge de l'accumulateur au plomb On relie les bornes par un circuit électrique contenant un générateur La borne + du générateur est reliée à l’électrode d’oxyde de plomb générateur Électrode en plomb Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Solution concentrée d’acide sulfurique  : 2 H+ ; SO42-

Charge de l'accumulateur au plomb Le générateur impose le sens du courant générateur i Électrode en plomb Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Solution concentrée d’acide sulfurique  : 2 H+ ; SO42-

Charge de l'accumulateur au plomb Dans le circuit électrique, le courant est du à la circulation des électrons générateur i e- Électrode en plomb Électrode en plomb recouverte d’oxyde de plomb Solution concentrée d’acide sulfurique  : 2 H+ ; SO42-

Charge de l'accumulateur au plomb Les électrons sont consommés par la réduction des ions plomb II générateur i e- 2e- Pb2+ Pb Réduction Pb2+ + 2 e- = Pb

Charge de l'accumulateur au plomb Cela forme du plomb solide qui se dépose sur l’électrode générateur i e- 2e- Pb2+ Pb Réduction Pb2+ + 2 e- = Pb

Charge de l'accumulateur au plomb Cela forme du plomb solide qui se dépose sur l’électrode générateur i e- 2e- Pb2+ Pb Réduction Pb2+ + 2 e- = Pb

Charge de l'accumulateur au plomb Les électrons sont libérés par l’oxydation des ions plomb II générateur i e- 2e- Pb2+ PbO2 2e- Pb2+ Pb Oxydation Pb2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H+ + 2 e- Réduction Pb2+ + 2 e- = Pb

Charge de l'accumulateur au plomb Cela forme de l’oxyde de plomb qui se dépose sur l’électrode générateur i e- 2e- Pb2+ PbO2 2e- Pb2+ Pb Oxydation Pb2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H+ + 2 e- Réduction Pb2+ + 2 e- = Pb

Charge de l'accumulateur au plomb Cela forme de l’oxyde de plomb qui se dépose sur l’électrode générateur i e- 2e- Pb2+ PbO2 2e- Pb2+ Pb Oxydation Pb2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H+ + 2 e- Réduction Pb2+ + 2 e- = Pb

Charge de l'accumulateur au plomb Cela permet de définir la nature des électrodes générateur i e- ANODE 2e- Pb2+ PbO2 2e- Pb2+ Pb CATHODE Oxydation Pb2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H+ + 2 e- Réduction Pb2+ + 2 e- = Pb

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

Charge de l'accumulateur au plomb L’équation est celle du fonctionnement forcé : Oxydation à l’anode Pb2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H+ + 2 e- Réduction à la cathode Pb2+ + 2 e- = Pb Équation 2 Pb2+ + 2 H2O = PbO2 + Pb + 4 H+ La charge de l’accumulateur au plomb forme les solides des électrodes et des ions H+ de l’électrolyte (le pH diminue).

L'accumulateur au plomb transformation type de dipôle électrode de Pb électrode de PbO2 Décharge spontanée pile anode - de la pile cathode + de la pile Charge forcée récepteur cathode reliée au - du générateur anode reliée au + du générateur

L'accumulateur au plomb transformation type de dipôle électrode de Pb électrode de PbO2 Décharge spontanée générateur anode - de la pile cathode + de la pile Charge forcée récepteur cathode reliée au - du générateur anode reliée au + du générateur

L'accumulateur au plomb transformation type de dipôle électrode de Pb électrode de PbO2 Décharge spontanée générateur anode - de la pile cathode + de la pile Charge forcée récepteur cathode reliée au - du générateur anode reliée au + du générateur

L'accumulateur au plomb transformation type de dipôle électrode de Pb électrode de PbO2 Décharge spontanée générateur anode - de la pile cathode + de la pile Charge forcée récepteur cathode reliée au - du générateur anode reliée au + du générateur

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).