Chapitre 8
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Chapitre 8. L’électrochimie. 8.1 Une description qualitative des piles voltaïques. Au lieu d’effectuer la réaction Cu 2+ (aq) + Zn (s) → Zn 2+ (aq) + Cu (s) dans un récipient, on fait en sorte les demi-réactions : demi-réaction de réduction :Cu 2+ (aq) + 2 e - ⇌ Cu (s)

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Chapitre 8

Chapitre 8

L’électrochimie


8 1 une description qualitative des piles volta ques

8.1 Une description qualitative des pilesvoltaïques

  • Au lieu d’effectuer la réaction

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

    dans un récipient, on fait en sorte les demi-réactions :

  • demi-réaction de réduction :Cu2+ (aq) + 2 e-⇌ Cu (s)

  • demi-réaction d’oxydation :Zn (s) ⇌ Zn2+ (aq) + 2 e-

    se produisent chacune dans un récipient distinct (demi-piles); les électrons qui vont de Zn (le réducteur) vers Cu2+ (l’oxydant) doivent alors passer par l’intermédiaire d’un conducteur (le plus souvent un fil de cuivre), d’où la présence d’un courant électrique.

    Les demi-piles sont reliées par un pont salin qui permet la migration des ions d’une demi-pile à l’autre.


Pile volta que cuivre zinc

Pile voltaïque cuivre - zinc


Quelques termes importants

Quelques termes importants

  • L’anode (-) est l’électrode où se produit l’oxydation

    • Zn (s) ⇌ Zn2+ (aq) + 2 e- dans cet exemple

  • La cathode (+) est l’électrode où se produit la réduction

    • Cu2+ (aq) + 2 e-⇌ Cu (s) dans cet exemple

  • Truc mnémotechnique :

    • anode et oxydation commencent par une voyelle

    • cathode et réduction commencent par une consonne


La repr sentation sch matique d une pile

La représentation schématique d’une pile

  • Pour l’exemple qui précède, on écrit

    Zn│Zn2+║Cu2+│ Cu 

  • Par convention, on écrit à gauche le couple rédox impliqué à l’anode et à droite celui impliqué à la cathode.

  • Le pont salin est représenté par la double barre.

  • Le trait simple représente la limite entre les différentes phases, comme une solution et une électrode solide.


La repr sentation sch matique d une pile1

La représentation schématique d’unepile

  • Si la réaction à l’une des électrodes implique deux ions, on plonge une tige de platine dans la solution et on écrit Pt dans la représentation schématique de la pile.

  • Ex :

    • demi-réaction de réduction :Fe3+ (aq) + e-⇌ Fe2+ (aq)

    • demi-réaction d’oxydation :Zn (s) ⇌ Zn2+ (aq) + 2 e-

  • la représentation schématique de la pile est :

    Zn│Zn2+║ Fe3+│ Fe2+│Pt


8 2 les potentiels standard d lectrode

8.2 Les potentiels standard d’électrode

  • Le montage illustré à la fig. 8.3, p. 365, montre que le potentiel de cette réaction est 1,103 V ; Pour la commodité, on a décidé :

    • d’attribuer à la demi-réaction de réduction 2 H+ (aq) + 2 e-⇌ H2 (g) un potentiel de 0,00 V ;

    • de mesurer le potentiel de toutes les autres demi-réactions par rapport à celle-ci.

  • À l’aide d’un tableau comportant un nombre limité de demi-réactions de réduction (voir le tableau C.3, p. 468-469, ou celui sur le site du cours), on peut calculer le potentiel d’un très grand nombre de réactions.


Les potentiels standard d lectrode

Les potentiels standard d’électrode

  • Le tableau des potentiels est un tableau des potentiels de réduction ; à noter :

    • les potentiels sont mesurés aux condition standard : T = 25 °C, P = 101,3 kPa, concentrations = 1,00 mol/L ;

    • le symbole « ° » dans E° signifie « aux conditions standard » ;

    • dans chaque demi-réaction, les électrons sont du côté des réactifs (puisqu’il s’agit de demi-réactions de réduction) ;

    • l’oxydant est du côté des réactifs (il capte des électrons) et le réducteur est du côté des produits ;

    • les demi-réactions sont classées en ordre de potentiel de réduction décroissant ;

    • le meilleur oxydant est en haut du tableau (F2) et le moins bon est en bas (Li+) ;

    • le meilleur réducteur est en bas du tableau (Li) et le moins bon est en haut (F-) ;

    • quelques substances sont à la fois oxydant et réducteur, ex.: Fe2+, H2O.


Calcul du potentiel standard

Calcul du potentiel standard

  • Pour calculer le potentiel d’une réaction d’oxydoréduction, on identifie les demi-réactions impliquées et on additionne les potentiels ;

  • Remarques :

    • lorsqu’on inverse une demi-réaction, on change le signe du potentiel

    • lorsqu’on multiplie une demi-réaction (pour faire en sorte que les électrons s’annulent), on ne multiplie pas les potentiels


La force lectromotrice f m d une pile

La force électromotrice (f.é.m.) d’une pile

  • Pour mettre tout objet en mouvement, il faut lui appliquer une force nette ;

  • Les électrons n’échappement pas à cette règle.

  • La force électromotrice (f.é.m.) ou tension (Eopile) d’une pile est la force qui déplace les électrons de l’anode vers la cathode.

  • La tension est la différence entre le potentiel de la cathode Ecat et celui de l’anode Ean.

  • Dans une pile qui génère du courant, Ecat est plus grand que Ean.

    E opile = E ocathode - E oanode

  • Exemple vu en classe.


8 3 les potentiels d lectrode la transformation spontan e et l quilibre

8.3 Les potentiels d’électrode, la transformation spontanée et l’équilibre

  • Une réaction d’oxydoréduction est spontanée si Eo > 0.

  • En conséquence : une réaction d’oxydoréduction est spontanée si l’oxydant est situé plus haut que le réducteur dans le tableau des potentiels.

  • La réaction suivante est-elle spontanée ?

    2 Cr(NO3)3 (aq) + Pb (s) → 2 Cr(NO3)2 (aq) + Pb(NO3)2 (aq)

    Vu en classe.


8 4 l influence de la concentration sur la f m d une pile

8.4 L’influence de la concentrationsur la f.é.m. d’une pile

  • L’équation de Nernst permet de calculer le potentiel d’une réaction à des conditions non standard.

  • L’équation de Nernst la plus couramment utilisée est :

    • R est la constante des gaz parfaits,

    • T la température en Kelvins,

    • n le nombre d’électrons transférés lors de la réaction,

    • F est la constante de Faraday (charge électrique d’une mole d’électrons : 96 500 coulombs),

    • Q est le quotient réactionnel,

    • Eopile est le potentiel standard de la pile.

  • Comme pour toute constante d’équilibre, les solides et les liquides purs n’apparaissent pas dans l’équation de Nernst.


Les piles de concentration

Les piles de concentration

  • On appelle pile de concentration une pile dont la force électromotrice n’est déterminée que par la différence entre les concentrations des solutés qui sont en équilibre avec des électrodes identiques.

  • La solution la plus concentrée se dilue, et vice-versa.


Les lectrodes impliquant des gaz

Les électrodes impliquant des gaz

  • Il peut arriver qu’un gaz participe à la réaction qui a lieu à une des électrodes;

  • Pour en tenir compte dans l’expression de Q, on ne doit pas calculer sa concentration, mais tenir compte de son activité ;

  • L’activité d’un gaz peut être remplacée par la valeur numérique de la pression partielle du gaz, donnée par :

    Pgaz = (p (atm) / 1,00 atm) = (p (kPa) / 101,3 kPa)


Pile volta que et quantit de charge

Pile voltaïque et quantité de charge

  • Si on connaît l’ampérage et le temps d’utilisation du système, on peut calculer la quantité de charge durant l’utilisation:

    q = it

    • q est en coulombs;

    • i est en ampères, ou coulombs / seconde

    • t est le temps en secondes

  • Exemples vus en classe.


Quelques exercices

Quelques exercices

  • Pour chacune des réactions d’oxydoréduction suivantes, identifier : 1° l’oxydant, 2° le réducteur, 3° la demi-réaction de réduction, 4° la demi-réaction d’oxydation, 5° le potentiel global aux conditions standard.

    • Cu (s) + 2 Fe3+ (aq) → Cu2+ (aq) + 2 Fe2+ (aq)

    • KMnO4 (aq) + 8 HCl (aq) + 5 FeCl2 (aq) → MnCl2 (aq) + 5 FeCl3 (aq) + 4 H2O (l) + KCl (aq)

    • I2 (s) + 2 Ag (s) + 2 KCl (aq) → 2 AgCl (s) + 2 KI (aq)

  • Dans la réaction suivante, identifier : 1° l’oxydant, 2° le réducteur, 3° la demi-réaction de réduction, 4° la demi-réaction d’oxydation, 5° le potentiel global aux conditions standard.

    2 HNO3 (aq) + 3 H2O2 (aq) → 2 NO (g) + 3 O2 (g) + 4 H2O (l)


Quelques exercices1

Quelques exercices

  • On fabrique une pile électrochimique en plongeant une tige de plomb d’une masse de 4,00 g dans 500 ml d’une solution de Pb(NO3)2 et une tige de fer d’une masse de 5,00 g dans 500 ml d’une solution de FeCl2. Les solutions ont été préparées en dissolvant 1,984 g de Pb(NO3)2 et 5,278 g de FeCl2, à 18°C.

    • Écrire l’équation de la réaction d’oxydoréduction de cette pile.

    • Calculer sa force électromotrice.

    • Calculer pendant combien de temps (minutes) cette pile peut faire fonctionner une ampoule qui demande un courant de 175 mA.


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