Piles, potentiels et évolution spontanée
Plonge une lame de zinc dans une solution bleue de sulfate de cuivre(II) : un dépôt rougeâtre de cuivre apparaît, la solution se décolore et le bécher chauffe. L'énergie est perdue sous forme de chaleur. Comment forcer les électrons à passer par un fil pour récupérer de l'énergie électrique ? C'est le principe d'une pile.
La pile : anode, cathode et tension à vide
Une transformation spontanée par contact direct (Zn + Cu²⁺) transfère les électrons « à bout portant » : chaque atome de zinc cède 2 électrons à un ion Cu²⁺ qui le touche, et l'énergie libérée part en transfert thermique. Si on sépare les deux couples dans deux demi-piles, le réducteur (Zn) et l'oxydant (Cu²⁺) ne se touchent plus : le seul chemin possible pour les électrons est le circuit extérieur, où ils peuvent faire fonctionner un appareil.
Le sens de ce transfert spontané se prévoit avec le critère d'évolution : on compare le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$ à la constante d'équilibre $K$ (fournie). Pour $\mathrm{Zn_{(s)} + Cu^{2+}_{(aq)} \rightleftharpoons Zn^{2+}_{(aq)} + Cu_{(s)}}$, $Q_{r,i} = [\mathrm{Zn^{2+}}]_i/[\mathrm{Cu^{2+}}]_i$ et $K \approx 10^{37}$ : $Q_{r,i} < K$, le système évolue dans le sens direct. Le zinc s'oxyde (anode, pôle −) et les ions Cu²⁺ se réduisent (cathode, pôle +).
Pour la pile Daniell : à l'anode (pôle −) $\mathrm{Zn_{(s)} \longrightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + 2\,e^-}$ ; à la cathode (pôle +) $\mathrm{Cu^{2+}_{(aq)} + 2\,e^- \longrightarrow Cu_{(s)}}$.
On dispose d'une pile Daniell constituée d'une électrode de zinc plongeant dans une solution $1{,}0\text{ M}$ de $\mathrm{ZnSO_4}$ et d'une électrode de cuivre plongeant…
On dispose d'une pile Daniell constituée d'une électrode de zinc plongeant dans une solution $1{,}0\text{ M}$ de $\mathrm{ZnSO_4}$ et d'une électrode de cuivre plongeant dans une solution $1{,}0\text{ M}$ de $\mathrm{CuSO_4}$, à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$. Les potentiels standard de réduction sont $E^\circ(\mathrm{Zn}^{2+}/\mathrm{Zn}) = -0{,}76\text{ V}$ et $E^\circ(\mathrm{Cu}^{2+}/\mathrm{Cu}) = +0{,}34\text{ V}$.
- a) Écrire la notation conventionnelle ou schéma de la pile en indiquant l'anode et la cathode.
- b) Indiquer le signe ou la polarité de chaque électrode et justifier brièvement la demi-équation qui se produit sur chacune.
Schéma de la pile et calcul de la tension
Considérer une pile galvanique dans les conditions standard ($25\text{ }^\circ\mathrm{C}$, concentrations $1{,}0\text{ M}$) fondée sur la réaction globale :…
Considérer une pile galvanique dans les conditions standard ($25\text{ }^\circ\mathrm{C}$, concentrations $1{,}0\text{ M}$) fondée sur la réaction globale : $\mathrm{Cu(s)} + 2\,\mathrm{Ag^+}(\text{aq}) \rightarrow \mathrm{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\,\mathrm{Ag(s)}$. Données : $E^\circ(\mathrm{Ag}^+/\mathrm{Ag}) = +0{,}80\text{ V}$ et $E^\circ(\mathrm{Cu}^{2+}/\mathrm{Cu}) = +0{,}34\text{ V}$.
- a) Calculer la force électromotrice standard de la pile, $E^\circ_{\text{pile}}$.
- b) Justifier de façon détaillée pourquoi le potentiel standard de réduction du couple $\mathrm{Ag}^+/\mathrm{Ag}$ ne doit pas être multiplié par le coefficient stœchiométrique 2 lors du calcul de la f.é.m. de la pile.
Énergie et sens d'évolution spontanée
Pour une pile constituée des couples $\mathrm{Ni}^{2+}/\mathrm{Ni}$ et $\mathrm{Cd}^{2+}/\mathrm{Cd}$ à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$, la réaction globale spontanée dans…
Pour une pile constituée des couples $\mathrm{Ni}^{2+}/\mathrm{Ni}$ et $\mathrm{Cd}^{2+}/\mathrm{Cd}$ à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$, la réaction globale spontanée dans les conditions standard est $\mathrm{Cd(s)} + \mathrm{Ni}^{2+}(\text{aq}) \rightarrow \mathrm{Cd}^{2+}(\text{aq}) + \mathrm{Ni(s)}$, la force électromotrice standard étant $E^\circ_{\text{pile}} = +0{,}15\text{ V}$. Donnée : constante de Faraday $F = 96485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$.
- a) Déterminer la valeur de la variation d'enthalpie libre standard, $\Delta G^\circ$, en $\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$.
- b) Déduire le critère d'évolution spontanée à partir du signe de $\Delta G^\circ$ et de $E^\circ_{\text{pile}}$.
On étudie la faisabilité d'une pile fondée sur les couples standard $\mathrm{Fe}^{3+}/\mathrm{Fe}^{2+}$ et $\mathrm{I_2}/\mathrm{I^-}$ à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$,…
On étudie la faisabilité d'une pile fondée sur les couples standard $\mathrm{Fe}^{3+}/\mathrm{Fe}^{2+}$ et $\mathrm{I_2}/\mathrm{I^-}$ à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$, avec des réactifs dans les conditions standard. Données : $E^\circ(\mathrm{Fe}^{3+}/\mathrm{Fe}^{2+}) = +0{,}77\text{ V}$ ; $E^\circ(\mathrm{I_2}/\mathrm{I^-}) = +0{,}54\text{ V}$ ; $F = 96485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$.
- a) Écrire l'équation équilibrée de la réaction redox spontanée dans les conditions standard, identifier l'oxydant et le réducteur, et calculer $E^\circ_{\text{pile}}$ et $\Delta G^\circ$.
- b) Un élève affirme que, puisque $\Delta G^\circ < 0$, la réaction sera toujours spontanée quelles que soient la concentration et les conditions expérimentales. Justifier de façon argumentée que cette affirmation est fausse en analysant la différence entre $\Delta G^\circ$ et $\Delta G$.
Le pont salin et le sens du courant
Tu relies deux béchers (zinc et cuivre) par un fil et un voltmètre : l'aiguille bouge un instant puis retombe à 0 V. Dès que tu ajoutes un pont salin, elle se stabilise vers 1,10 V (dans les conditions standard). Pourquoi ?
Au laboratoire, on monte une pile Daniell à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$ avec des électrodes métalliques de zinc et de cuivre plongeant dans des solutions aqueuses…
Au laboratoire, on monte une pile Daniell à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$ avec des électrodes métalliques de zinc et de cuivre plongeant dans des solutions aqueuses $1{,}0\text{ M}$ de leurs cations respectifs, reliées par un pont salin de $\mathrm{KNO_3}$. Le schéma du montage expérimental est représenté ci-dessous :
Données : $E^\circ(\mathrm{Zn}^{2+}/\mathrm{Zn}) = -0{,}76\text{ V}$ ; $E^\circ(\mathrm{Cu}^{2+}/\mathrm{Cu}) = +0{,}34\text{ V}$.
- a) Déterminer la force électromotrice standard de la pile et indiquer le sens correct de circulation des électrons dans le conducteur métallique extérieur.
- b) Expliquer quelle espèce transporte la charge à travers le pont salin et vers quel bécher migrent respectivement les ions $\mathrm{K^+}$ et $\mathrm{NO_3^-}$, en indiquant pourquoi les électrons ne circulent pas dans la solution.
On construit une pile en reliant une demi-pile constituée d'une barre de chrome plongeant dans $\mathrm{Cr(NO_3)3}\text{ }1{,}0\text{ M}$ et une autre constituée d'une…
On construit une pile en reliant une demi-pile constituée d'une barre de chrome plongeant dans $\mathrm{Cr(NO_3)_3}\text{ }1{,}0\text{ M}$ et une autre constituée d'une barre de plomb dans $\mathrm{Pb(NO_3)_2}\text{ }1{,}0\text{ M}$, à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$, à l'aide d'un pont salin saturé de $\mathrm{NH_4NO_3}$. Données : $E^\circ(\mathrm{Cr}^{3+}/\mathrm{Cr}) = -0{,}74\text{ V}$, $E^\circ(\mathrm{Pb}^{2+}/\mathrm{Pb}) = -0{,}13\text{ V}$, $F = 96485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$.
- a) Écrire les demi-équations à l'anode et à la cathode, l'équation ionique globale équilibrée et calculer le potentiel standard de la pile.
- b) Expliquer comment l'électroneutralité est maintenue dans chaque demi-pile en précisant le mouvement des ions du pont salin, et calculer la valeur de $\Delta G^\circ$ pour la réaction globale.
Prévoir une transformation avec les potentiels
Du zinc plongé dans l'acide chlorhydrique dégage du dihydrogène en abondance ; une pièce de cuivre ne donne aucune bulle. Quelle grandeur permet de le prévoir ?
On dispose de solutions aqueuses contenant des ions chlorure ($\mathrm{Cl^-}$), bromure ($\mathrm{Br^-}$) et iodure ($\mathrm{I^-}$), toutes à la concentration…
On dispose de solutions aqueuses contenant des ions chlorure ($\mathrm{Cl^-}$), bromure ($\mathrm{Br^-}$) et iodure ($\mathrm{I^-}$), toutes à la concentration $1{,}0\text{ M}$ et à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$. On souhaite choisir un oxydant dans son état standard capable d'oxyder spontanément l'ion iodure en diiode ($\mathrm{I_2}$) et l'ion bromure en dibrome liquide ($\mathrm{Br_2}$), mais qui n'oxyde pas l'ion chlorure en dichlore gazeux ($\mathrm{Cl_2}$).
Données : potentiels standard de réduction à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$ :
$E^\circ(\mathrm{I_2}/\mathrm{I^-}) = +0{,}54\text{ V}$ ; $E^\circ(\mathrm{Br_2}/\mathrm{Br^-}) = +1{,}07\text{ V}$ ; $E^\circ(\mathrm{Cl_2}/\mathrm{Cl^-}) = +1{,}36\text{ V}$.
Oxydants candidats : $\mathrm{Fe}^{3+}(\text{aq})$ avec $E^\circ(\mathrm{Fe}^{3+}/\mathrm{Fe}^{2+}) = +0{,}77\text{ V}$ ; $\mathrm{IO_3^-}(\text{aq})/\mathrm{I_2(s)}$ en milieu acide avec $E^\circ = +1{,}20\text{ V}$ ; $\mathrm{MnO_4^-}(\text{aq})/\mathrm{Mn}^{2+}(\text{aq})$ en milieu acide avec $E^\circ = +1{,}51\text{ V}$.
- a) Choisir l'oxydant adapté en justifiant la réponse par la comparaison des potentiels des candidats, puis calculer $E^\circ$ et $\Delta G^\circ$ de la réaction de l'oxydant choisi avec chaque halogénure, avec les plus petits coefficients entiers.
- b) Écrire l'équation de la réaction globale équilibrée entre l'oxydant choisi et l'ion bromure en milieu acide. Donnée : $F = 96485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$.
On plonge une lame métallique constituée d'un mélange de cadmium, d'argent et de fer dans des solutions d'acides et de sels à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$ afin d'étudier…
On plonge une lame métallique constituée d'un mélange de cadmium, d'argent et de fer dans des solutions d'acides et de sels à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$ afin d'étudier des réactions de déplacement.
Données : $E^\circ(\mathrm{Ag}^+/\mathrm{Ag}) = +0{,}80\text{ V}$ ; $E^\circ(\mathrm{H}^+/\mathrm{H_2}) = 0{,}00\text{ V}$ ; $E^\circ(\mathrm{Pb}^{2+}/\mathrm{Pb}) = -0{,}13\text{ V}$ ; $E^\circ(\mathrm{Cd}^{2+}/\mathrm{Cd}) = -0{,}40\text{ V}$ ; $E^\circ(\mathrm{Fe}^{2+}/\mathrm{Fe}) = -0{,}44\text{ V}$. Constante $F = 96485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$.
- a) Déterminer quels métaux de la lame se dissolvent spontanément dans une solution aqueuse $1{,}0\text{ M}$ d'acide chlorhydrique ($\mathrm{HCl}$) avec dégagement de dihydrogène gazeux dans les conditions standard, et écrire les réactions correspondantes.
- b) On plonge un morceau de fer métallique pur dans une solution contenant des ions $\mathrm{Pb}^{2+}$ et $\mathrm{Cd}^{2+}$, tous deux à la concentration standard $1{,}0\text{ M}$. Raisonner quantitativement pour déterminer si le fer déplacera l'un, les deux ou aucun de ces cations de la solution, en calculant la force électromotrice standard et $\Delta G^\circ$ des transformations spontanées. Utiliser le modèle thermodynamique des potentiels standard, sans dioxygène dissous, complexation ni passivation ; la prévision ne renseigne pas sur la vitesse réelle.
On étudie à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$ la stabilité du peroxyde et l'oxydation du cation $\mathrm{Sn}^{2+}$ en milieu acide. On dispose de deux réactifs : le…
On étudie à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$ la stabilité du peroxyde et l'oxydation du cation $\mathrm{Sn}^{2+}$ en milieu acide. On dispose de deux réactifs : le permanganate de potassium ($\mathrm{KMnO_4}$) et le peroxyde d'hydrogène ($\mathrm{H_2O_2}$). Les potentiels standard de réduction sont connus :
$E^\circ(\mathrm{Sn}^{4+}/\mathrm{Sn}^{2+}) = +0{,}15\text{ V}$ ; $E^\circ(\mathrm{MnO_4^-}/\mathrm{Mn}^{2+}) = +1{,}51\text{ V}$ ; $E^\circ(\mathrm{O_2}/\mathrm{H_2O_2}) = +0{,}68\text{ V}$ ; $E^\circ(\mathrm{H_2O_2}/\mathrm{H_2O}) = +1{,}78\text{ V}$. Donnée : $F = 96485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$.
- a) Démontrer, à l'aide des valeurs de $E^\circ$ et $\Delta G^\circ$, si $\mathrm{H_2O_2}$ est thermodynamiquement stable vis-à-vis de la dismutation en eau et dioxygène dans les conditions standard à $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$.
- b) Justifier si l'ion $\mathrm{Sn}^{2+}$ peut être oxydé en $\mathrm{Sn}^{4+}$ par $\mathrm{MnO_4^-}$ en milieu acide et déterminer le volume minimal, en $\text{mL}$, de solution de $\mathrm{KMnO_4}\text{ }0{,}020\text{ M}$ nécessaire pour oxyder totalement $25{,}0\text{ mL}$ de $\mathrm{Sn}^{2+}\text{ }0{,}050\text{ M}$. Pour le titrage de b), supposer une réduction quantitative du permanganate en manganèse(II), de l'acide sulfurique en excès et l'absence de réactions parasites.
Usure, capacité électrique et oxydants usuels
Une pile se vide : que devient la tension au fil du temps ?
Au programme de terminale, on prévoit le sens d'évolution spontanée avec le quotient de réaction $Q_r$ et la constante d'équilibre $K$ (fournie) : si $Qr < K$, la transformation évolue dans le sens direct ; si $Q_r = K$, le système est à l'équilibre ; si $Q_r > K$, elle évolue dans le sens inverse. Dans une pile, $Qr$ évolue vers $K$ : quand $Qr = K$, la pile est usée et ne débite plus. Sa capacité électrique est la charge totale qu'elle peut fournir : $Q = n(\mathrm{e^-})\cdot F$, avec $Q = I\cdot\Delta t$.
Oxydants et réducteurs usuels : eau de Javel (ion hypochlorite ClO⁻), dioxygène, dichlore (oxydants) ; acide ascorbique (vitamine C), dihydrogène, métaux (réducteurs).
Pourquoi les métaux du bloc s (sodium, potassium, magnésium, calcium…) sont-ils de très bons réducteurs ? Leurs atomes possèdent seulement 1 ou 2 électrons de valence ; en les cédant, ils acquièrent la configuration électronique stable du gaz noble qui les précède : $\mathrm{Na \longrightarrow Na^+ + e^-}$, $\mathrm{Mg \longrightarrow Mg^{2+} + 2\,e^-}$. Ils cèdent donc facilement des électrons, d'où leur caractère réducteur marqué (le sodium réagit violemment avec l'eau).
Retour au début : en séparant les deux demi-équations zinc et cuivre par un fil et un pont salin, on obtient $E^\circ_{\text{pile}} = 0{,}34 - (-0{,}76) = +1{,}10\ \mathrm{V}$ : l'énergie n'est plus perdue en chaleur mais récupérée dans le circuit.