LES PILES. TRANSFERT SPONTANÉ D’ ÉLECTRONS. TRANSFERT SPONTANÉ DIRECT: Espèces chimiques en...

LES PILESLES PILES

TRANSFERT SPONTANTRANSFERT SPONTANÉÉ

D’D’ ÉÉLECTRONS.LECTRONS.

TRANSFERT SPONTANTRANSFERT SPONTANÉÉ DIRECT:DIRECT:

Espèces chimiques en contact.Espèces chimiques en contact.

Le système étudié: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:Les couples en présence:

CuCu2+2+(aq) (aq) / Cu/ Cu(s)(s)

ZnZn2+2+(aq) (aq) / Zn/ Zn(s)(s)

Les demi équations Les demi équations électroniques :électroniques :

CuCu2+2+(aq) (aq) + 2e+ 2e-- = Cu = Cu(s)(s)

ZnZn2+2+(aq) (aq) + 2e+ 2e-- = Zn = Zn(s)(s)

L’équation de la réaction L’équation de la réaction susceptible susceptible

de se produire de se produire en considéranten considérant l’ion cuivre (II) l’ion cuivre (II)

comme un réactif :comme un réactif :

Cu2+(aq) + Zn(s) = Cu(s) + Zn2+

(aq)

Sa constante d’équilibre vaut :

K = 1,9×1037

Quotient de réaction Quotient de réaction initial :initial :

2+

i2+

i

= 1Zn

Qr,i =Cu

CritèreCritère d’évolution d’évolution spontanéespontanée

Qr,i K ; Qr,i K ; le système va évoluer le système va évoluer spontanément dans lespontanément dans le

sens sens de l’équation de la réaction de l’équation de la réaction

d’oxydoréductiond’oxydoréduction

directdirect

<<

EXPEXPÉÉRIENCERIENCE

10 mL de solution de sulfate de cuivre (II) à 0,1 mol.L-1

+10 mL de solution de sulfate de

zinc (II) à 0,1 mol.L-1

Lame de zinc

Lame de cuivre

On observe bien On observe bien conformément au conformément au

critère un dépôt de critère un dépôt de cuivre sur la lame de cuivre sur la lame de

zinc.zinc.

TRANSFERT SPONTANTRANSFERT SPONTANÉÉ INDIRECT:INDIRECT:

Espèces chimiques séparées.Espèces chimiques séparées.

EXPEXPÉÉRIENCERIENCE

A

Lame de zincLame de cuivre

Solution de sulfate de zinc à 0,1 mol.L-1

Solution de sulfate de cuivre (II) à 0,1 mol.L-1

Papier filtre imbibé de solution de

nitrate de potassium

RCOM

I+ -

Porteurs de charge responsables Porteurs de charge responsables du passage du courant dans les du passage du courant dans les différentes parties de ce circuit.différentes parties de ce circuit.

Dans les métaux et les Dans les métaux et les conducteurs métalliques les conducteurs métalliques les porteurs de charges sont : porteurs de charges sont :

les électrons

Dans les solutions Dans les solutions

aqueuses ioniques aqueuses ioniques

les porteurs de charges sont :les porteurs de charges sont :les ions

A R

Électron

Courant Zn2+

Cu2+

SO42-

K+ NO3-

COM+ -

A R

ÉlectronCourant

Zn2+

Cu2+

SO42-

K+ NO3-

COM+ -

porteur

Que se passe-t-il au niveau Que se passe-t-il au niveau des plaques métalliques ? des plaques métalliques ?

    Au niveau de la plaque de zinc :Au niveau de la plaque de zinc :

CuCu2+2+(aq) (aq) + 2e+ 2e-- = Cu = Cu(s)(s)

Au niveau de la plaque de cuivre:Au niveau de la plaque de cuivre:

ZnZn(s)(s) = Zn= Zn2+2+

(aq) (aq) + 2e+ 2e--

Le bilan:Le bilan:

Cu2+(aq) + Zn(s) = Cu(s) + Zn2+

(aq)

ConclusionsConclusions

Les électrons n’existent pas en solution Les électrons n’existent pas en solution aqueuse.aqueuse.

L’échange est L’échange est indirect indirect par l’intermédiaire par l’intermédiaire du circuit extérieur.du circuit extérieur.

Le sens d’évolution du système est le Le sens d’évolution du système est le même que pour le transfert direct. même que pour le transfert direct.

Des ions CuDes ions Cu2+2+ sont  ; sont  ; leur concentrationleur concentration . .

Des ions ZnDes ions Zn2+2+ sont ; sont ; leur concentrationleur concentration . .

L’ L’ des deux solutions est maintenue des deux solutions est maintenue

grâce au déplacement des grâce au déplacement des dans le pont salin.dans le pont salin.

diminuediminueconsommésconsommés

formésformésaugmenteaugmente

électroneutralitéélectroneutralité

ionsions

CONSTITUTION CONSTITUTION ET ET

FONCTIONNEMENT FONCTIONNEMENT D’UNE PILED’UNE PILE

CONSTITUTIONCONSTITUTION

Demi-pile 1 demi-pile 2Pont salin

Mn’+ | M’M | Mn+ ||

Cu2+(aq)|Cu(s)Zn(s) |Zn2+

(aq) ||- +A gauche

Une demi pile est constituée par Une demi pile est constituée par une plaque du métal M plongeant une plaque du métal M plongeant dans une solution contenant des dans une solution contenant des

ions métalliques Mions métalliques Mn+n+(aq)(aq)..

La plaque de métal est appeléeLa plaque de métal est appelée

ElectrodeElectrode Deux demi piles reliées par un Deux demi piles reliées par un pont pont

salinsalin constituent un constituent un générateur générateur électrochimiqueélectrochimique aussi appelé aussi appelé pilepile..

FORCE FORCE ELECTROMOTRICE ELECTROMOTRICE

D’UNE D’UNE PILEPILE

DéfinitionDéfinition

PN P NI=0 I=0E = U = V -V > 0

MESUREMESURE

V

+ -

COM

UPN = E

E ≈ 1,1 V

Évolution Évolution spontanée spontanée d’une piled’une pile

Lorsqu’elle débite, une Lorsqu’elle débite, une pile est un système pile est un système

hors équilibre.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.

MMÉÉTHODETHODE

Pour la pile

Cu2+(aq)|Cu(s)Zn(s)|Zn2+

(aq) ||

On écrit l’équation de la réaction susceptible de se On écrit l’équation de la réaction susceptible de se produire produire 

Cu2+(aq) + Zn(s) = Cu(s) + Zn2+

(aq)

On détermine le quotient de réaction On détermine le quotient de réaction initialinitial. .

2+

i2+

i

= 1Zn

Qr,i =Cu

On compare QOn compare Qr,i r,i à K : à K :

Qr,i < KQr,i < K

On en déduit le sens d’évolution spontané On en déduit le sens d’évolution spontané du système :du système :

Évolution Évolution

dans le sens direct dans le sens direct

de l’équation de l’équation

d’oxydoréduction.d’oxydoréduction.

On détermine les bornes + et - de pile en On détermine les bornes + et - de pile en considérant le sens des électrons considérant le sens des électrons

dans le circuit extérieurdans le circuit extérieur : :

Le métal zinc est oxydé, il fournit les Le métal zinc est oxydé, il fournit les électrons aux ions cuivre (II).électrons aux ions cuivre (II).

Les électrons sortent Les électrons sortent par par

l’électrode de zinc,l’électrode de zinc,

C’est la borne C’est la borne négativenégative de la pile. de la pile.

LA PILE A L’EQUILIBRELA PILE A L’EQUILIBRE

Lorsque la pile débite, le système Lorsque la pile débite, le système évolue vers son état d’équilibre. évolue vers son état d’équilibre.

La La f.e.m.f.e.m. diminue pour diminue pour s’annulers’annuler dans dans l’état d’équilibre. l’état d’équilibre.

Une pile à l’équilibre est une pile Une pile à l’équilibre est une pile « usée » « usée » qui ne peut plus débiter de qui ne peut plus débiter de

courantcourant..

QQr,éqr,éq = K ; E = K ; Eéqéq = 0 et I = 0 et Iéq éq = 0= 0

QUANTITE QUANTITE D’ELECTRICITE D’ELECTRICITE

FOURNIEFOURNIE

DéfinitionsDéfinitionsLa quantité d'électricité Q mise en jeu La quantité d'électricité Q mise en jeu

au cours du fonctionnement d'un au cours du fonctionnement d'un générateur électrochimique est égale générateur électrochimique est égale

à la valeur absolue de la charge à la valeur absolue de la charge totale des électrons échangés. totale des électrons échangés.

QQ(C)(C) = n(e = n(e--))(mol)(mol)×N×NA (molA (mol-1-1))×e ×e (C)(C)

n(en(e--) : Quantité d’électrons échangée ) : Quantité d’électrons échangée (mol).(mol).

NNAA : Constante d’Avogadro (mol : Constante d’Avogadro (mol-1-1).).

e : charge élémentaire = 1,60 ×10e : charge élémentaire = 1,60 ×10-19-19 C C

Une pile, débitant un courant d'intensité Une pile, débitant un courant d'intensité constanteconstante I pendant une durée I pendant une durée t, t,

fait circuler une quantité d'électricité:fait circuler une quantité d'électricité:

QQ(C)(C) = I= I(A)(A) ×× tt(s)(s)

La capacité d'une pile est la quantité La capacité d'une pile est la quantité d'électricité maximale qu'elle peut d'électricité maximale qu'elle peut

fournir.fournir.

La valeur absolue de la charge d'une La valeur absolue de la charge d'une mole d'électron est appelée mole d'électron est appelée faradayfaraday., .,

de symbole de symbole FF : :

F = NF = NAA (mol-1)(mol-1)× e × e (C)(C)

F = 6,02F = 6,02××101023 23 ×× 1,6.10 1,6.10-19-19

F = 9,65 F = 9,65 ×× 10 1044 C.molC.mol-1-1

DONCDONC

QQ(C)(C) = n(e = n(e--))(mol)(mol)×F ×F (C.mol(C.mol-1-1

))

Quantité Quantité d’électricité d’électricité

et et quantité de marièrequantité de marière

Soit la pile :Soit la pile :

-- CuCu(s)(s) | Cu | Cu2+2+(aq) (aq) || Ag|| Ag++

(aq)(aq) | Ag | Ag(s)(s) ++

Le métal Le métal

fournit fournit

les électronsles électrons

aux ions .aux ions .

cuivre

argent

Au pôle Au pôle négatifnégatif se produit une  se produit une

Au pôle Au pôle positifpositif se produit une se produit une

Le système évolue dans le sens de Le système évolue dans le sens de l'équation de la réaction:l'équation de la réaction:

Cu(s) = Cu2+(aq) + 2e-

Réduction

Oxydation

Ag+(aq) + e- = Ag(s)

direct

22 Ag Ag++(aq) (aq) + Cu+ Cu(s)(s) = Cu = Cu2+2+

(aq)(aq) + + 2 2 AgAg(s)(s)

Supposons que, pendant la durée Supposons que, pendant la durée

t = 1,5 min,t = 1,5 min, la pile débite une intensité, la pile débite une intensité, considérée constante, considérée constante, I = 86,0 mAI = 86,0 mA..

La quantité d'électricité La quantité d'électricité QQ mise en jeu vaut: mise en jeu vaut:

-3

Q = I × t

Q = 86,0×10 ×1,5×60

Q = 7,74 C

EquationEquation Electrons Electrons échangéséchangés

État initialÉtat initial

En En

courscours

22 Ag Ag++(aq) (aq) + Cu+ Cu(s)(s) = Cu = Cu2+2+

(aq)(aq)+ + 2 2 AgAg(s)(s)

nnii((AgAg++)) nnii((CuCu)) nnii((CuCu2+2+)) nnii((AgAg)) 00

nnii((AgAg++)) nnii((CuCu)) nnii((CuCu2+2+)) nnii((AgAg))

-- --

xx22xx

++

xx

++

22xx

22xx

D’après le tableau, la quantité d'électron échangés entre D’après le tableau, la quantité d'électron échangés entre les deux états est égale à : les deux états est égale à :

n(en(e--) = ) = 22xxCette quantité d'électrons échangés est reliée à la Cette quantité d'électrons échangés est reliée à la

quantité d'électricité mise en jeu par : quantité d'électricité mise en jeu par :

On en déduitOn en déduit

- 2 Qn(e ) = x =F

-5

IΔt=

2F

Qx =F

x = 2

4,0 10 mol

D'où les variations de quantités de matière D'où les variations de quantités de matière pendant pendant t : t :

ΔΔn(Ag) = n(Ag) = n(Ag) - nn(Ag) - nii (Ag) = (Ag) =

ΔΔn(Cun(Cu2+2+) = n(Cu) = n(Cu2+ 2+ ) - n) - nii (Cu (Cu2+2+ ) = ) =

ΔΔn(Ag+) = n(Ag+) = n(Ag+) - nn(Ag+) - ni i (Ag+) = (Ag+) =

ΔΔn(Cu) = n(Cu) - nn(Cu) = n(Cu) - nii (Cu) = (Cu) =

22xx

xx

- - 22xx

- x- x