PILES Pr TANGOUR BAHOUEDDINE 1 PILES LECTROCHIMIQUES Il

PILES Pr. TANGOUR BAHOUEDDINE

1 -PILES ÉLECTROCHIMIQUES Il est possible de réaliser un transfert d’électrons d’un couple à l’autre, sans mélanger les réactifs, par l’intermédiaire de deux électrodes et d’un conducteur extérieur. On a alors une PILE électrochimique Le compartiment ou à lieu l’oxydation est appelé Anode. Le compartiment ou à lieu la réduction est appelé Cathode. ANODE OXYDATION Red 1 Ox 1 + n 1 e- CATHODE REDUCTION Ox 2 + n 2 e- Red 2 Les électrons « formés » à l’Anode vont circuler dans le conducteur extérieur et vont finalement atteindre la Cathode. Les électrons circulent de l’Anode qui est donc le pôle négatif de la pile vers la Cathode qui est son pôle positif.

Déplacement d’électrons Conducteur - Extérieur Pont Salin Anode Déplacement d’ions e- + Cathode e- Pour que le circuit soit fermé, il est nécessaire de relier les deux compartiments par un pont salin. Ce pont salin est généralement constitué par un gel (Agar-Agar) contenant un sel ionique appelé électrolyte (souvent KNO 3). Les ions contenus dans le gel sont libres de se déplacer et assurent ainsi la continuité du circuit électrique.

D’un point de vue chimique, la réaction qui se produit est la réaction d’oxydoréduction « normale » entre les couples 1 et 2. Anode Red 1 Ox 1 + n 1 e - * n 2 1/2 pile 1 Cathode Ox 2 + n 2 e- Red 2 * n 1 1/2 pile 2 n 2 Red 1 + n 1 Ox 2 = n 2 Ox 1 + n 1 Red 2 Réaction globale de la pile On représente une pile de manière à conserver à la fois pour l’équation chimique, le schéma et la représentation de la pile la position relative des réducteurs.

2 - f. é. m D’UNE PILE Une pile électrochimique produit donc un courant électrique. La pile possède deux pôles électriques entre lesquels règne une différence de potentiel ( ou tension électrique). La force électromotrice (ou f. é. m) de la pile est la différence de potentiel entre ses deux bornes. f. é. m = DE = ED - EG Puisqu’on garde la liberté des positions des électrodes selon l’équation chimique utilisée, la f. é. m est une grandeur algébrique.

3 -POTENTIEL STANDARD D’OXYDORÉDUCTION Si on réalise une pile à partir de deux couples d’oxydoréduction 1 et 2 et en se plaçant dans les conditions standards ( toutes les concentrations d’espèces intervenant dans les couples sont égales à 1 mol. L-1 et P = 1 atm ), la f. é. m de la pile est par définition égale à la différence des potentiels de références deux couples considérés. On ne peut mesurer expérimentalement que des différences de potentiel. Pour pouvoir associer un potentiel particulier à chaque couple oxydo-réducteur, il suffit de choisir un couple particulier à qui on attribuera un Potentiel de Référence nul. Le couple de référence choisi est le couple H+/H 2 placé à gauche de la pile appelée Electrode de Référence à l’Hydrogène ( E. R. H ).

On associe ensuite cette 1/2 pile à Hydrogène à une autre 1/2 pile et on mesure la f. é. m correspondante. Par convention on a: E 0 (H+/H 2) = 0, 000 V La f. é. m de la pile est égale au Potentiel de Référence du couple étudié.

4 -LOI DE NERNST Le potentiel pris par une électrode trempant dans une solution dépend du couple étudié mais aussi des concentrations ou des pressions pour les gaz des espèces intervenant dans le couple. R = Cte des gaz parfaits = 8, 314 J mol-1 K-1 F = Le Faraday = charge d’une mole d’e- = N e 96500 C T = Température absolue exprimée en Kelvins n = nombre d’électrons mis en jeu par le couple étudié Q = Quotient de la demi-réaction étudiée écrite dans le sens Oxydant Réducteur

Ce ne sont toutefois pas les activités à l’état d’équilibre qui interviennent mais les activités initiales diverses espèces au moment du mélange. On utilise généralement la loi de Nernst sous une forme légèrement différente. On suppose que la température est de 25 °C soit 298, 15 K On a alors : RT / F = RT / N e = 0, 02569262 On utilise le logarithme décimal avec ln x = 2, 30258 log x E = E 0 - (0, 02569262 / n ) * 2, 30258 log Q E = E 0 - (0, 059 / n ) log Q E 0 - (0, 06 / n ) log Q

On exprime souvent cette loi sous la forme condensée E = E 0 + (0, 06 / n) log ([Ox]a/[Red]b) H 2 O est le Solvant L’activité a. H 2 O = 1 EXEMPLES Couple Mn. O 4 -/Mn 2+ Mn. O 4 - aq + 8 H+aq + 5 e- Mn 2+aq + 4 H 2 O E = E 0 + ( 0, 06 / 5) log( [Mn. O 4 -] [H+]8 [Mn 2+]-1) Couple Cl. O 3 -/Cl 2 2 Cl. O 3 -(aq) + 12 H+ (aq) + 10 e- Cl 2 (g) + 6 H 2 O E = E 0 + ( 0, 06 / 10 ) log( [Cl. O 3 -]2 [H+]12 (P Cl )-1) 2

5 - CALCUL DES CONSTANTES D’ÉQUILIBRE Une pile finit par être usée. Cela se produira quand les deux pôles auront le même potentiel électrique. La f. é. m sera alors nulle et la pile ne fonctionnera plus. DE=0. On est alors à l’état d’équilibre chimique. A l’état d’équilibre chimique , les potentiels de Nernst des deux couples oxydo-réducteurs sont égaux. Exemple Couple 1: Mn. O 4 - / Mn 2+ Couple 2: Fe 3+ / Fe 2+ Mn. O 4 - + 8 H+ + 5 e- Mn 2+ + 4 H 2 O Fe 3+ + e- Fe 2+ Expressions des potentiels de Nernst E 1 = E 01 + ( 0, 06 / 5 ) log ( [Mn. O 4 -] [H+]8 / [Mn 2+] ) E 2 = E 02 + ( 0, 06 / 1 ) log ( [Fe 3+] / [Fe 2+] )

Egalité des Potentiels à l’équilibre E 01 + ( 0, 06 / 5 ) log ( [Mn. O 4 -] [H+]8 / [Mn 2+] ) = E 02 + ( 0, 06 / 1 ) log ( [Fe 3+] / [Fe 2+] ) E 01 - E 02 = ( 0, 06 / 1 ) log ( [Fe 3+-] / [Fe 2+] ) - ( 0, 06 / 5 ) log ( [Mn. O 4 -] [H+]8 / [Mn 2+] ) On réduit les termes en log au même dénominateur : + 0, 06 / 5 E 01 - E 02 = ( 0, 06 / 5 ) log ( [Fe 3+]5 / [Fe 2+]5 ) - ( 0, 06 / 5 ) log ( [Mn. O 4 -] [H+]8 / [Mn 2+] ) E 01 - E 02=( 0, 06 / 5 ) log( [Fe 3+]5 [Mn 2+] / [Mn. O 4 -] [H+]8 [Fe 2+]5 ) Réaction globale Mn. O 4 - + 8 H+ + 5 Fe 2+ Mn 2+ + 4 H 2 O + 5 Fe 3+ K° = ( [Mn 2+] [ Fe 3+] 5) / ( [ Mn. O 4 - ] [ H+ ] 8 [ Fe 2+] 5 ) E 01 - E 02 = ( 0, 06 / 5 ) log ( K° ) = ( E 01 - E 02 ) * 5 / 0, 06

Application numérique 1/2 réaction 1 1/2 réaction 2 Mn. O 4 - + 8 H+ + 5 e- Mn 2+ + 4 H 2 O Fe 3+ + e- Fe 2+ E 01=1, 51 v E 02=0, 77 v log K° = ( 5 * 1 * (1, 51 - 0, 77) ) / 0, 06 = 61, 7 K° = 1061, 7 La réaction peut être considérée comme totale. Cela était prévisible puisqu’elle correspond à la réaction spontanée (règle du a ou du g)