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LES PILESLES PILES
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TRANSFERT SPONTANTRANSFERT SPONTANÉÉ
D’D’ ÉÉLECTRONS.LECTRONS.
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TRANSFERT SPONTANTRANSFERT SPONTANÉÉ DIRECT:DIRECT:
Espèces chimiques en contact.Espèces chimiques en contact.
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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..
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Les couples en présence:Les couples en présence:
CuCu2+2+(aq) (aq) / Cu/ Cu(s)(s)
ZnZn2+2+(aq) (aq) / Zn/ Zn(s)(s)
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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)
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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 :
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Cu2+(aq) + Zn(s) = Cu(s) + Zn2+
(aq)
Sa constante d’équilibre vaut :
K = 1,9×1037
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Quotient de réaction Quotient de réaction initial :initial :
2+
i2+
i
= 1Zn
Qr,i =Cu
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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
<<
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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
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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.
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TRANSFERT SPONTANTRANSFERT SPONTANÉÉ INDIRECT:INDIRECT:
Espèces chimiques séparées.Espèces chimiques séparées.
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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+ -
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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
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A R
Électron
Courant Zn2+
Cu2+
SO42-
K+ NO3-
COM+ -
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A R
ÉlectronCourant
Zn2+
Cu2+
SO42-
K+ NO3-
COM+ -
porteur
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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--
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Le bilan:Le bilan:
Cu2+(aq) + Zn(s) = Cu(s) + Zn2+
(aq)
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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.
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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
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CONSTITUTION CONSTITUTION ET ET
FONCTIONNEMENT FONCTIONNEMENT D’UNE PILED’UNE PILE
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CONSTITUTIONCONSTITUTION
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Demi-pile 1 demi-pile 2Pont salin
Mn’+ | M’M | Mn+ ||
Cu2+(aq)|Cu(s)Zn(s) |Zn2+
(aq) ||- +A gauche
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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..
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FORCE FORCE ELECTROMOTRICE ELECTROMOTRICE
D’UNE D’UNE PILEPILE
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DéfinitionDéfinition
PN P NI=0 I=0E = U = V -V > 0
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MESUREMESURE
V
+ -
COM
UPN = E
E ≈ 1,1 V
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Évolution Évolution spontanée spontanée d’une piled’une pile
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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.
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MMÉÉTHODETHODE
Pour la pile
Cu2+(aq)|Cu(s)Zn(s)|Zn2+
(aq) ||
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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
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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.
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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.
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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
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QUANTITE QUANTITE D’ELECTRICITE D’ELECTRICITE
FOURNIEFOURNIE
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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
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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.
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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
))
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Quantité Quantité d’électricité d’électricité
et et quantité de marièrequantité de marière
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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
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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
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22 Ag Ag++(aq) (aq) + Cu+ Cu(s)(s) = Cu = Cu2+2+
(aq)(aq) + + 2 2 AgAg(s)(s)
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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
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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
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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
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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