Transformation forcée: l'électrolyse 1. Réaction spontanée entre le cuivre (métal) et le...

Transformation forcée: l'électrolyse

1. Réaction spontanée entre le cuivre (métal) et le dibrome en solution aqueuse.

L'équation de cette réaction est: Cu + Br2 = Cu2+ + 2Br- avec: K = 1,2.1025

tournure de cuivre (Cu) et du dibrome (Br2) en

solution aqueuse ([Br2]i=1,0.10-2 mol.L-1).

La solution initialement jaune (couleur du dibrome en solution aqueuse) se colore progressivement en bleu (couleur d'une solution aqueuse d'ions Cu2+) et le cuivre métallique disparaît. CES OBSERVATIONS permettent de conclure pour les sens d’évolution de cette transformation

Qri =0

K >> 104 la réaction est quasi totale dans le sens direct de l'équation. Le taux d'avancement final est très proche de 1 (100%).

2. Transformation forcée.

L ’électrolyse cuivre / brome

T. DULAURANS

Électrolyse cuivre / brome

Électrodesen graphite

Solution de bromurede cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

On place une solution de bromure de cuivre II dans un tube en U

et on plonge des électrodes de graphite dans la solution

Électrolyse cuivre / brome

Électrodesen graphite

Solution de bromurede cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

On relie les électrodes par un circuit électriquecontenant un générateur

générateur

Électrolyse cuivre / brome

Électrodesen graphite

Solution de bromurede cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Le générateur impose le sens du courant électrique

générateur

ii

Électrolyse cuivre / brome

Électrodesen graphite

Solution de bromurede cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Dans les conducteurs, le courant est créé par la circulation des électrons

générateur

iie-e-

e-

Électrolyse cuivre / brome

Électrodesen graphite

Solution de bromurede cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Dans la solution, le courant est créé par la circulation des ions

générateur

iie-e-

e-

Électrolyse cuivre / brome

Électrodesen graphite

Solution de bromurede cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Les anions se déplacent dans le sens des électrons

générateur

iie-e-

e-

Déplacementdes anions

Électrolyse cuivre / brome

Électrodesen graphite

Solution de bromurede cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Les cations se déplacent dans le sens du courant

générateur

iie-e-

e-

Déplacementdes anions

Déplacementdes cations

Électrolyse cuivre / brome

Solution de bromurede cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Les électrons sont libérés par l ’oxydation des ions Br-

générateur

iie-e-

e-

Déplacementdes anions

Déplacementdes cations

Oxydation

2 Br- = Br2 + 2 e-

Électrolyse cuivre / brome

Solution de bromurede cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Les électrons sont libérés par l ’oxydation des ions Br-

générateur

iie-e-

e-

Déplacementdes anions

Déplacementdes cations

Oxydation

2 Br- = Br2 + 2 e-

Électrolyse cuivre / brome

Solution de bromurede cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Les électrons sont consommés par la réduction des ions Cu2+

générateur

iie-e-

e-

Oxydation

2 Br- = Br2 + 2 e-

Déplacementdes anions

Déplacementdes cations

Réduction

Cu2+ + 2 e- = Cu

Électrolyse cuivre / brome

Solution de bromurede cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Les électrons sont consommés par la réduction des ions Cu2+

générateur

iie-e-

e-

Oxydation

2 Br- = Br2 + 2 e-

Déplacementdes anions

Déplacementdes cations

Réduction

Cu2+ + 2 e- = Cu

Électrolyse cuivre / brome

Solution de bromurede cuivre (II)  : Cu2+ ; 2 Br-

Cela permet de définir la nature des électrodes

générateur

iie-e-

e-

Oxydation

2 Br- = Br2 + 2 e-

Déplacementdes anions

Déplacementdes cations

Réduction

Cu2+ + 2 e- = Cu

ANODECATHODE

L’ANODE est l’électrode sur laquelle se produit l’OXYDATION.

La CATHODE est l’électrode sur laquelle se produit la REDUCTION.

Réduction à la cathode Cu2+ + 2 e- = Cu

Oxydation à l’anode 2 Br- = Br2 + 2 e-

L’équation est celle du fonctionnement forcé :

Équation 2 Br- + Cu2+ = Br2 + Cu

Formation de Br2

Formation de Cu

Électrolyse cuivre / brome

Généralisation. Lorsqu'un générateur de tension continue impose dans un système chimique un courant de sens inverse

à celui qui est observé lorsque le système évolue spontanément (pile), il peut imposer à ce système d'évoluer dans le sens inverse de son sens d'évolution spontanée Cette

transformation forcée est appelée électrolyse.L'electrode à laquelle se produit une oxydation est appelée anode L'électrode à laquelle se produit une réduction est

appelée cathode .

L'électrolyse est une transformation forcée qui n'a lieu que si un générateur électrique fournit une énergie suffisante pour que puissent se produire simultanément une oxydation à l'anode et une réduction à la cathode.

Trois réactions peuvent se produire à l'anode :- l'oxydation des anions contenus dans la solution : A m+ = A + m e-- l'oxydation des molécule d'eau : 2 H2O=O2 + 4 H+ (aq) + 4 e-- l'oxydation du matériau constituant l'électrode : M=M n+ + n e-

Deux réactions peuvent se produire à la cathode :- la réduction des cations contenus dans la solution : C p+ + p e- =C- la réduction des molécules d'eau : 2 H2O + 2 e- = H2 + 2 HO-

La connaissance de la nature des espèces formées permet de déterminer l'équation de la réaction globale d'électrolyse.Les quantités de matière formées aux électrodes sont proportionnelles à la quantité d'électricité qui a traversé le circuit

3.2. Électrolyse d'une solution de chlorure de sodium.

3.2.1. Montage et observations.

3.2.2. Interprétation.

Inventaire des espèces chimiques présentes et pouvant intervenir:

les ions sodium (Na+)

les ions chlorure (Cl-)

Le solvant (H2O)

le carbone (C) des électrodes ne jouent pas de rôle ici, les électrodes sont dites inertes.

Ecrire les couples Ox/Red

H2O / H2

Na+ / Na

O2 / H2O.

Cl2 / Cl-

Comparer avec les résultats de l’expérience

La décoloration de l'indigo au voisinage de l'anode indique qu'il y a apparition de dichlore:

2Cl-           = Cl2 + 2e-

La coloration de la phénolphtaléine au voisinage de la cathode indique qu'il y a apparition  d'ions hydroxyde HO-.

2H2O + 2e- = H2 + 2HO-

BILAN  : 2H2O + 2Cl- = Cl2 + H2 + 2HO-

IV. Réactions spontanées et réactions forcées dans le monde vivant.

La respiration.C'est un processus biologique dont le déroulement complexe passe par la dégradation d'un nutriment organique. Il apparaît une succession de réactions d'oxydoréduction mettant en jeu le dioxygène. Elle a, entre autres, pour effet de synthétiser la molécule d'ATP, réservoir d'énergie des cellules. Par exemple:C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O

C'est une réaction spontanée dans le sens direct.

La synthèse chlorophyllienne.Il s'agit de la synthèse de matière organique avec l'aide de la lumière par les végétaux dits"chlorophylliens".6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2

Il s'agit de la réaction inverse de la précédente (respiration). C'est donc nécessairement une réaction forcée. L'énergie nécessaire est apportée par la lumière.

T. DULAURANS

L ’accumulateur au plomb

L'accumulateur au plomb

Électrodeen plomb

Solution concentrée d’acidesulfurique  : 2 H+ ; SO4

2-

Deux électrodes en plomb sont dans une solution d’acide sulfurique

Électrodeen plomb

L'accumulateur au plomb

Électrodeen plomb

Solution concentrée d’acidesulfurique  : 2 H+ ; SO4

2-

L’une des électrodes est recouverte d’oxyde de plomb PbO2

Électrodeen plomb

recouverte d’oxyde de plomb

L'accumulateur au plomb

Électrodeen plomb

Solution concentrée d’acidesulfurique  : 2 H+ ; SO4

2-

Électrodeen plomb

recouverte d’oxyde de plomb

Des connecteurs permettent de relier les électrodesà un circuit électrique

L'accumulateur au plomb

Électrodeen plomb

Solution concentrée d’acidesulfurique  : 2 H+ ; SO4

2-

Électrodeen plomb

recouverte d’oxyde de plomb

Le fonctionnement met en jeu deux couples rédox

PbO2/Pb2+ Pb2+ /Pb

L'accumulateur au plombCet accumulateur peut fonctionner de deux façons :

Pile

spontanée

générateur

décharge

Électrolyse

forcée

récepteur

charge

transformation

type de dipôle

fonctionnement

L'accumulateur au plombCet accumulateur peut fonctionner de deux façons :

Pile

spontanée

générateur

décharge

Électrolyse

forcée

récepteur

charge

transformation

type de dipôle

fonctionnement

L'accumulateur au plombCet accumulateur peut fonctionner de deux façons :

Pile

spontanée

générateur

décharge

Électrolyse

forcée

récepteur

charge

transformation

type de dipôle

fonctionnement

L'accumulateur au plombCet accumulateur peut fonctionner de deux façons :

Pile

spontanée

générateur

décharge

Électrolyse

forcée

récepteur

charge

transformation

type de dipôle

fonctionnement

L'accumulateur au plomb

Lors de la décharge, l’accumulateur se comporte comme une pile.

Étude de la décharge

Décharge de l'accumulateur au plomb

Électrodeen plomb

Solution concentrée d’acidesulfurique  : 2 H+ ; SO4

2-

Électrodeen plomb

recouverte d’oxyde de plomb

On relie les bornes par un circuit électrique

mA COM

AR

Décharge de l'accumulateur au plomb

Électrodeen plomb

Solution concentrée d’acidesulfurique  : 2 H+ ; SO4

2-

Électrodeen plomb

recouverte d’oxyde de plomb

L’ampèremètre mesure une intensité positive

mA COM

ARi

ii

Décharge de l'accumulateur au plomb

Électrodeen plomb

Solution concentrée d’acidesulfurique  : 2 H+ ; SO4

2-

Électrodeen plomb

recouverte d’oxyde de plomb

Cela permet de définir les polarités des bornes

mA COM

ARi

ii

Décharge de l'accumulateur au plomb

Électrodeen plomb

Solution concentrée d’acidesulfurique  : 2 H+ ; SO4

2-

Électrodeen plomb

recouverte d’oxyde de plomb

Dans le circuit électrique, le courant est du à la circulation des électrons

mA COM

ARi

iie-

e-

Décharge de l'accumulateur au plombLes électrons sont libérés par l’oxydation du plomb

mA COM

ARi

iie-

e-

OxydationPb = Pb2+ + 2 e-

2e-

Pb2+ Pb

Décharge de l'accumulateur au plombCela consomme le plomb de l’électrode

mA COM

ARi

iie-

e-

OxydationPb = Pb2+ + 2 e-

2e-

Pb2+ Pb

Décharge de l'accumulateur au plombCela consomme le plomb de l’électrode

mA COM

ARi

iie-

e-

OxydationPb = Pb2+ + 2 e-

2e-

Pb2+ Pb

Décharge de l'accumulateur au plombLes électrons sont consommés par la réduction de l’oxyde de plomb

mA COM

ARi

iie-

e-

RéductionPbO2 + 4 H+ + 2 e- = Pb2+ + 2 H2O

2e-

Pb2+

PbO2

OxydationPb = Pb2+ + 2 e-

2e-

Pb2+ Pb

Décharge de l'accumulateur au plombCela consomme l’oxyde de plomb qui recouvre l’électrode

mA COM

ARi

iie-

e-

RéductionPbO2 + 4 H+ + 2 e- = Pb2+ + 2 H2O

OxydationPb = Pb2+ + 2 e-

2e-

Pb2+

PbO2

2e-

Pb2+ Pb

Décharge de l'accumulateur au plombCela consomme l’oxyde de plomb qui recouvre l’électrode

mA COM

ARi

iie-

e-

RéductionPbO2 + 4 H+ + 2 e- = Pb2+ + 2 H2O

OxydationPb = Pb2+ + 2 e-

2e-

Pb2+

PbO2

2e-

Pb2+ Pb

Décharge de l'accumulateur au plombCela permet de définir la nature des électrodes

mA COM

ARi

iie-

e-

RéductionPbO2 + 4 H+ + 2 e- = Pb2+ + 2 H2O

OxydationPb = Pb2+ + 2 e-

CATHODE ANODE2e-

Pb2+

PbO2

2e-

Pb2+ Pb

L’ANODE est l’électrode sur laquelle se produit l’OXYDATION.

La CATHODE est l’électrode sur laquelle se produit la REDUCTION.

Oxydation à l’anode Pb = Pb2+ + 2 e-

L’équation est celle du fonctionnement spontané :

Équation PbO2 + Pb + 4 H+ = 2 Pb2+ + 2 H2O

Décharge de l'accumulateur au plomb

Réduction à la cathode PbO2 + 4 H+ + 2 e- = Pb2+ + 2 H2O

borne -

borne +

La décharge de l’accumulateur au plomb consomme les solides des

électrodes et des ions H+ de l’électrolyte (le pH augmente).

L'accumulateur au plomb

Lors de la charge, il se produit une électrolyse.

Il faut utiliser un générateur pour «charger» l’accumulateur.

Étude de la charge

Charge de l'accumulateur au plomb

Électrodeen plomb

Solution concentrée d’acidesulfurique  : 2 H+ ; SO4

2-

Électrodeen plomb

recouverte d’oxyde de plomb

On relie les bornes par un circuit électrique contenant un générateur

générateur

La borne + du générateur est reliée à l’électrode d’oxyde de plomb

Charge de l'accumulateur au plomb

Électrodeen plomb

Solution concentrée d’acidesulfurique  : 2 H+ ; SO4

2-

Électrodeen plomb

recouverte d’oxyde de plomb

Le générateur impose le sens du courant

générateuri i

Charge de l'accumulateur au plomb

Électrodeen plomb

Solution concentrée d’acidesulfurique  : 2 H+ ; SO4

2-

Électrodeen plomb

recouverte d’oxyde de plomb

générateur

Dans le circuit électrique, le courant est du à la circulation des électrons

e-e-i i

Charge de l'accumulateur au plomb

générateur

Les électrons sont consommés par la réduction des ions plomb II

e-e-i i

RéductionPb2+ + 2 e- = Pb

2e-

Pb2+ Pb

Charge de l'accumulateur au plomb

générateur

Cela forme du plomb solide qui se dépose sur l’électrode

e-e-i i

RéductionPb2+ + 2 e- = Pb

2e-

Pb2+ Pb

Charge de l'accumulateur au plomb

générateur

Cela forme du plomb solide qui se dépose sur l’électrode

e-e-i i

RéductionPb2+ + 2 e- = Pb

2e-

Pb2+ Pb

Charge de l'accumulateur au plomb

générateure-e-

i i

RéductionPb2+ + 2 e- = Pb

OxydationPb2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H+ + 2 e-

2e-

Pb2+

PbO2

Les électrons sont libérés par l’oxydation des ions plomb II

2e-

Pb2+ Pb

Charge de l'accumulateur au plomb

générateure-e-

i i

RéductionPb2+ + 2 e- = Pb

OxydationPb2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H+ + 2 e-

Cela forme de l’oxyde de plomb qui se dépose sur l’électrode

2e-

Pb2+

PbO2

2e-

Pb2+ Pb

Charge de l'accumulateur au plomb

générateure-e-

i i

RéductionPb2+ + 2 e- = Pb

OxydationPb2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H+ + 2 e-

Cela forme de l’oxyde de plomb qui se dépose sur l’électrode

2e-

Pb2+

PbO2

2e-

Pb2+ Pb

Charge de l'accumulateur au plomb

générateure-e-

i i

RéductionPb2+ + 2 e- = Pb

OxydationPb2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H+ + 2 e-

Cela permet de définir la nature des électrodes

CATHODEANODE2e-

Pb2+

PbO2

2e-

Pb2+ Pb

L’ANODE est l’électrode sur laquelle se produit l’OXYDATION.

La CATHODE est l’électrode sur laquelle se produit la REDUCTION.

Oxydation à l’anode Pb2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H+ + 2 e-

L’équation est celle du fonctionnement forcé :

Équation 2 Pb2+ + 2 H2O = PbO2 + Pb + 4 H+

Charge de l'accumulateur au plomb

Réduction à la cathode Pb2+ + 2 e- = Pb

La charge de l’accumulateur au plomb forme les solides des

électrodes et des ions H+ de l’électrolyte (le pH diminue).

L'accumulateur au plomb

Décharge

spontanée

pile

anode- de la pile

cathode + de la pile

Charge

forcée

récepteur

cathodereliée au - du générateur

anode reliée au + du générateur

transformation

type de dipôle

électrode de Pb

électrode de PbO2

L'accumulateur au plomb

Décharge

spontanée

générateur

anode- de la pile

cathode + de la pile

Charge

forcée

récepteur

cathodereliée au - du générateur

anode reliée au + du générateur

transformation

type de dipôle

électrode de Pb

électrode de PbO2

L'accumulateur au plomb

Décharge

spontanée

générateur

anode- de la pile

cathode + de la pile

Charge

forcée

récepteur

cathodereliée au - du générateur

anode reliée au + du générateur

transformation

type de dipôle

électrode de Pb

électrode de PbO2

L'accumulateur au plomb

Décharge

spontanée

générateur

anode- de la pile

cathode + de la pile

Charge

forcée

récepteur

cathodereliée au - du générateur

anode reliée au + du générateur

transformation

type de dipôle

électrode de Pb

électrode de PbO2

Les accumulateursIl n’y a pas que des accumulateurs au plomb.

Il existe de nombreux autres types d’accumulateurs  :- nickel-cadmium (Ni-Cd)- nickel-hydrure métallique (Ni-MH)- lithium-ion (Li-ion)...

L’expression « pile rechargeable » est souvent utilisée à tort pour désigner un accumulateur.

Les batteries comme celle de démarrage des automobiles ou celles des téléphones portables sont constituées de plusieurs accumulateurs associés en série (pour augmenter la f.é.m.) et/ou en parallèle (pour augmenter l’énergie emmagasinée).