transformation forcée: l'électrolyse 1. réaction spontanée entre le cuivre (métal) et le...
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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).