C) Le sens d'évolution chimique d'une réaction est-il prévisible ? Peut-il être inversé ?

7 : sens d'évolution spontanée d'un système chimique

8 : les piles

9 : Electrolyse, une transformation forcée

chapitre 7 : sens d'évolution spontanée d'un système chimique

Soit la réaction d'équation bilan :

a.A_(aq) + b.B_(aq) = c.C_(aq) + d.D_(aq)

Son quotient de réaction initial est noté Qr(i) :

Le sens direct correspond à l'écriture de gauche à droite de l'équation bilan. Pour déterminer l'évolution spontanée du système, 3 cas peuvent se présenter : 

1) Qr(i) = K

Si le quotient de réaction initial est égal à la constante d'équilibre alors le système est déjà en équilibre et n'évolue pas : les concentrations initiales en espèces A, B ,C , D ne changent pas, l'avancement x de la réaction est nul.

Si Qr(i) = K pas d'évolution.

2) Qr(i) < K

Lorsque le quotient de réaction initiale Qr(i ) est inférieur à la constante d'équilibre K, alors le système évolue dans le sens direct de l'écriture de l'équation de la réaction jusqu'à l'équilibre. L'avancement de la réaction à l'équilibre x_eq est positif. Les espèces A et B vont être consommées, les espèces C et D vont être produites. 

Si Qr(i) < K, réaction spontanée dans le sens direct .

3) Qr(i) > K

Lorsque le quotient de réaction initiale Qr(i) est supérieur à K, le système évolue dans le sens inverse de l'écriture de l'équation de la réaction, jusqu'à l'équilibre. 
L'avancement à l'équilibre de la réaction sera négatif. Les espèces C et D vont être consommées, alors que les espèces A et B vont être produites.

Si Qr(i) > K évolution spontanée dans le sens inverse

Conclusion : sens d'évolution d'un système chimique

chapitre 8 : les piles

I) Constitution d'une pile

1) schéma

Une pile (générateur électrochimique) est constituée de deux compartiments distincts contenant chacun un couple oxydant/réducteur M₁ⁿ⁺/M₁ et M₂^p+/M₂ . Les 2 compartiments sont reliés par un pont salin imbibé de solution ionique. Les plaques de métal sont appelées les électrodes.

2) Symbole d'un pile

- exemple : pile cuivre zinc

II) Le générateur électrochimique est un convertisseur énergie.

III) Fonctionnement d'une pile

1) Principe vidéo

Animation (wilm)

1) Les électrons sortent de l'électrode constituant le pôle négatif de la pile. Cette demi-pile est le siège d'une oxydation.

2) Les électrons entrent par l'électrode constituant le pôle positif de la pile. Cette demi-pile est le siège d'une réduction.

3) Les électrons se déplacent dans les électrodes et les conducteurs qui les relient. Le sens conventionnel du courant i est du pôle + au pôle - de la pile (sens inverse de celui des électrons).

4) A l'intérieur de la pile (solutions et pont salin), les cations se déplacent dans le sens du courant et les anions dans le sens inverse.

5) La concentration des ions présents dans le compartiment du pôle + diminue et inversement pour ceux présents dans le compartiment du pôle - .

6) la pile ne débite plus de courant dans les cas suivant :

- lorsque le quotient de réaction Qr est égal à la constante d'équilibre k de la réaction, l'équilibre est alors atteint,

Si Qr = k alors I = 0 A

- lorsque l’un des réactifs est entièrement consommé

exemple : pile cuivre zinc

à la borne + réduction des ions cuivre Cu²⁺_(aq) + 2 e- = Cu_(s)

à la borne – oxydation du métal zinc Zn_(s) = Zn²⁺_(aq)+ 2e-

équation de fonctionnement de la pile

Cu²⁺_(aq) + Zn_(s) = Cu_(s) + Zn²⁺_(aq)

2) Force électromotrice d'une pile

La force électromotrice (f.e.m) d'une pile notée E, est égale à la différence de potentiel électrique entre les deux compartiments, quand la pile ne débite aucun courant

(i = 0 A) : E = (V_M2- V_M1 ) _{i = 0}

V_M2 et V_M1 potentiels respectifs des plaques de métal M2 et M1. Unité: le volt(V).

exemple : la force électromotrice d’une pile cuivre zinc est E = 0,9 V environ.

Rappel : U_PN = E – r.I (r : résistance interne de la pile)

IV) Quantité d'électricité Q fournie par la pile

1) le faraday F

Un faraday F correspond à la charge électrique transportée par une mole d’électron :

q = N.e = 6,02x10²³x1,60x10^-19 = 9,65x10⁴ C

2) calcul de la quantité d’électricité Q débitée par une pile

2 méthodes pour la calculer :

- La quantité d'électricité Q que peut débiter une pile est égale au nombre N d'électrons fournis, multiplié par la valeur absolue de la charge d'un électron (e).

Q = N.e = n.Na.e = n.F

unité : Le faraday : F = 96500 C.mol^-1 _; Nombre d'Avogadro Na = 6,02.10²³ mol^-1 _; n(mol): nombre de mole d'électrons.

- une pile débitant un courant d'intensité I constant pendant une durée fournit une quantité d'électricité Q:

unité : I(A) ; (s) ;Q(C)

3) capacité Q(max) d'une pile : vidéo.

La capacité Q_max d’une pile est la quantité maximale d'électricité qu'elle peut fournir.

exemple : une pile est complètement déchargé lorsqu’elle a débité un courant d’intensité I = 100 mA pendant =3h ; sa capacité est :

Qmax = I. =0,1x3x3600 = 1,08x10³ C

Chapitre 9 : electrolyse, une transformation forcée

I) L'électrolyse

1) Définition vidéo.

Soit un système chimique pouvant évoluer spontanément dans le sens direct de la réaction d'oxydoréduction suivante:

Ox1 + red2 = red1+ Ox2

avec les 2 couples Ox1/red1 , Ox2/red2

Pour faire évoluer le système dans le sens inverse, il faut lui fournir un courant électrique délivré par un générateur. Celui-ci doit envoyer un courant i dans le sens inverse de celui fourni lorsque le système évolue spontanément . Cette transformation forcée est appelée une électrolyse. Elle se déroule dans un électrolyseur.

L'électrode où se produit l'oxydation est appelée anode (qui attire les anions) celle où se produit la réduction est appelée cathode (qui attire les cations).  vidéo.

exemple : La réaction suivante n’a pas lieu spontanément :

Zn²⁺_(aq) + Fe_(s) = Fe²⁺_(aq) + Zn_(s) K =10^-11. Pour la forcer on réalise une électrolyse d’une solution de sulfate de zinc.

à l’anode réduction des ions zinc : Zn²⁺_(aq) + 2e- = Zn_(s)

à la cathode oxydation du métal fer : Fe_(s) = Fe²⁺_(aq) + 2e-

équation de fonctionnement de l’électrolyse :

Zn²⁺_(aq) + Fe_(s) = Fe²⁺_(aq) + Zn_(s)

2) Sens d'évolution du quotient de réaction

Pour une transformation forcée, le quotient de réaction du système chimique Qr s'éloigne de la constante d'équilibre K (c'est l'inverse pour la pile).

3) Méthode pour l'équation chimique d'une électrolyse

1) Ecrire les espèces chimiques présentes en solution.
2) Ecrire les couples oxydant réducteur et entourer les espèces présentes en solution.
3) Déterminer les réactions possibles à l'anode (oxydation) et à la cathode (réduction).
4) Choisir la réaction d'oxydation et de réduction par l'observation ou les tests.
5) En déduire l'équation produite au cours de l'électrolyse.

II) Quantité d'électricité Q fournie à l'électrolyseur

Soit un générateur fournissant un courant d'intensité I constant à un électrolyseur, pendant une durée Dt. La quantité d'électricité Q débitée est :

Q = I.D t = n(e^-).F

Avec : Q : quantité d'électricité en coulomb (C) ;

I : intensité en ampère (A) ; Dt : durée en seconde (s) ;

n(e^-): quantité de matière d'électrons fournis par le générateur en mole (mol) ;

F : charge par mole d'électron égale à un Faraday 1 F = 96500 C.mol^-1.