Transformation forcée: l'électrolyse 1. Réaction spontanée entre le cuivre (métal) et le dibrome en solution aqueuse. L'équation de cette réaction est: Cu + Br 2 = Cu 2+ + 2Br - avec: K = 1,2.10 25 tournure de cuivre (Cu) et du dibrome (Br 2 ) en solution aqueuse ([Br 2 ] 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 Cu 2+ ) et le cuivre métallique disparaît. CES OBSERVATIONS permettent de conclure pour les sens d’évolution de cette transformation Qr i =0 K >> 10 4 la réaction est quasi totale dans le sens direct de l'équation. Le taux d'avancement final est très proche de 1 (100%).
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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:
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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.
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).