LES PILES TRANSFERT SPONTAN D LECTRONS TRANSFERT SPONTAN

LES PILES

TRANSFERT SPONTANÉ D’ ÉLECTRONS.

TRANSFERT SPONTANÉ DIRECT: Espèces chimiques en contact.

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.

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

Les demi équations électroniques : 2+ § Cu (aq) + 2 e = Cu(s) 2+ § Zn (aq) + 2 e = Zn(s)

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

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

Quotient de réaction initial :

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

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

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

TRANSFERT SPONTANÉ INDIRECT: Espèces chimiques séparées.

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

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

A COM + Électron Courant R - Cu 2+ K+ Zn 2+ SO 42 - NO 3 -

A COM + Électron Courant porteur R - Cu 2+ K+ Zn 2+ SO 42 - NO 3 -

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

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

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.

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

CONSTITUTION ET FONCTIONNEMENT D’UNE PILE

CONSTITUTION

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

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

FORCE ELECTROMOTRICE D’UNE PILE

Définition

MESURE E ≈ 1, 1 V V COM + UPN = E -

Évolution spontanée d’une pile

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.

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

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 Qr, i à K : Qr, i < K

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

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.

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. Qr, éq = K ; Eéq = 0 et Iéq = 0

QUANTITE D’ELECTRICITE FOURNIE

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)×NA (mol-1)×e (C) n(e-) : Quantité d’électrons échangée (mol). NA : Constante d’Avogadro (mol-1). e : charge élémentaire = 1, 60 × 10 -19 C

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.

La valeur absolue de la charge d'une mole d'électron est appelée faraday. , de symbole F : F = NA (mol-1)× e (C) F = 6, 02× 1023 × 1, 6. 10 -19 F = 9, 65 × 104 C. mol-1 DONC Q(C) = n(e-)(mol)×F (C. mol-1)

Quantité d’électricité et quantité de marière

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

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

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

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

Equation 2 Ag+(aq) + Cu(s) = Cu 2+(aq)+ 2 Ag(s) État initial ni(Ag+) ni(Cu) ni(Cu 2+) ni(Ag) - - + + 2 x x x 2 x En cours Electrons échangés 0 2 x

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

D'où les variations de quantités de matière pendant t : § Δn(Ag) = n(Ag) - ni (Ag) = 2 x § Δn(Cu 2+) = n(Cu 2+ ) - ni (Cu 2+ ) = x § Δn(Ag+) = n(Ag+) - ni (Ag+) - 2 x § Δn(Cu) = n(Cu) - ni (Cu) = = -x