C. Le sens “spontané” d’évolution d’un système est-il prévisible?

Le sens d’évolution d’un système chimique peut-il être inversé ?

2. Les piles, dispositifs mettant en jeu des transformations spontanées permettant de récupérer de l’énergie (3H)

CONTENUS

Transferts spontanés d’électrons entre des espèces chimiques (mélangées ou séparées) de deux couples oxydant/réducteur du type ion métallique/métal, Mn+/M(s).
Constitution et fonctionnement d’une pile : observation du sens de circulation du courant électrique, mouvement des porteurs de charges, rôle du pont salin, réactions aux électrodes. La pile, système hors équilibre au cours de son fonctionnement en générateur. Lors de l’évolution spontanée, la valeur du quotient de réaction tend vers la constante d’équilibre. La pile à l’équilibre “pile usée” : quantité d’électricité maximale débitée dans un circuit.
Force électromotrice d’une pile (f.é.m.) E: mesure, polarité des électrodes, sens de circulation du courant (en lien avec le cours de physique).
Exemple de pile usuelle.

COMPÉTENCES EXIGIBLES

Schématiser une pile
Utiliser le critère d’évolution spontanée pour déterminer le sens de déplacement des porteurs de charges dans une pile.
Interpréter le fonctionnement d’une pile en disposant d’une information parmi les suivantes : sens de circulation du courant électrique, f.é.m., réactions aux électrodes, polarité des électrodes ou mouvement des porteurs de charges.
Écrire les réactions aux électrodes et relier les quantités de matière des espèces formées ou consommées à l’intensité du courant et à la durée de la transformation, dans une pile et lors d’une électrolyse.

A chercher seul (corrigé)

A faire

1. PAO

Introduction pile Daniel
Evolution de la pile
Animation de la pile Daniel

2. Transfert spontané d'électrons

1. Système constitué de deux couples oxydant/réducteur (ion métallique Mⁿ⁺/métal M) en contact

Sur la lame de métal M₁ on observe un dépôt de métal M₂. La solution s’appauvrit en ions M₂^p+ et s’enrichit en ions M₁ⁿ⁺.

2. Système constitué de deux couples oxydant/réducteur (Mⁿ⁺/M) séparés

Un courant s’établit dans le circuit : il existe un déplacement d’électrons.

Remarque :

si M1 est du zinc dans une solution de sulfate de zinc ;
si M2 est du cuivre dans une solution de sulfate de cuivre :
alors, cette pile est une pile Daniell.

3. Conclusion

L’équation de réaction d’oxydoréduction s’écrit à partir des deux demi-équations :

Dans les deux systèmes précédents, il y a transfert d’électrons entre les espèces chimiques, mélangées ou séparées, des deux couples oxydant/ réducteur M₁ⁿ⁺/M₁(s) et M₂^p+/M₂(s).

3. Etude d'une pile

1. Constitution d’une pile

Une pile est constituée de deux demi-piles, reliées par un pont salin ou pont ionique qui assure la neutralité électrique de chaque solution. Pour fonctionner, une pile doit être placée dans un circuit électrique fermé par un conducteur électrique permettant un transfert d'électrons entre l'oxydant d'un couple et le réducteur d'un autre couple.

2. Représentation symbolique de la pile

(-) Red₁(s)/Ox₁(aq)//Ox₂(aq)/Red₂(s) (+)

Ex 5/7 p.220

Ex 9/11 p.221

3. Fonctionnement de la pile

Lorsqu'on branche un voltmètre entre l'anode et la cathode d'une pile, quand aucun courant ne circule, on mesure sa force électromotrice (f.é.m.) notée E. La f.é.m. correspond à sa tension à vide. Lorsqu'une pile débite, la tension U à ses bornes est inférieure à sa tension à vide et dépend de l'intensité I du courant. C'est la raison pour laquelle on caractérise une pile par sa f.é.m. E.

Une pile est constituée d'un système chimique hors d'équilibre à l'intérieur duquel une réaction chimique tend à le faire évoluer vers un état d'équilibre. Lorsque l'équilibre est atteint, la pile est usée; elle ne fonctionne plus Qr,éq = K et Iéq = 0.

Au cours de la réaction chimique, un certain nombre d'électron est échangé.

Ex 13 p.221

Ex 14 p.222

4. Quantité d'électricité fournie

La valeur absolue de la charge de l'ensemble des électrons impliqués dans les réactions aux électrodes constitue la quantité d'électricité maximale Q de la pile.

Q = n(e-).F
où F (Faraday) est la valeur absolue de la charge d'une mole d'électrons F = lN_A.(-e)l = 96500C.mol^-1

Une pile, débitant un courant d'intensité constante I, pendant une durée t, fait circuler une quantité d'électricité Q :

Q=I.t

Q en coulomb (C),

I en A,

t en s

D'une manière générale

Q = z.x_max.F

z est sans dimension et correspond au nombre d'électrons échangés

x_max est l'avancement maximal en mol

F est le Faraday en C.mol^-1

La capacité d'une pile et la quantité maximale d'électricité qu'elle peut fournir.

Ex 15/17 p.222

Ex 22 p.223

Ex 16/18 p.222

Ex 19 p.223

Ex 24 p.224