Physique-Chimie · 2ème année Bac
Transformations spontanées dans les piles et production d'énergie
1Rappels du cours
Les piles électrochimiques et l'évolution des systèmes chimiques
Le principe d'une pile électrochimique
Une pile électrochimique est un dispositif qui convertit de l'énergie chimique en énergie électrique, grâce à une réaction d'oxydoréduction spontanée se déroulant dans deux compartiments séparés, reliés par un circuit extérieur.
Les couples oxydant/réducteur
Une pile met en jeu deux couples oxydant/réducteur distincts. Dans chaque compartiment, une électrode plonge dans une solution contenant l'un des couples.
Le sens d'évolution spontané
Le sens d'évolution spontané d'un système chimique est déterminé en comparant le quotient de réaction initial Qr,i à la constante d'équilibre K de la réaction :
- Si Qr,i < K, la réaction évolue dans le sens direct (formation des produits).
- Si Qr,i > K, la réaction évolue dans le sens indirect (formation des réactifs).
Le rôle du pont salin
Le pont salin relie les deux compartiments de la pile et permet la circulation des ions, assurant l'électroneutralité des solutions tout en évitant le mélange direct des réactifs.
Les électrodes
- L'anode est l'électrode où se produit l'oxydation (perte d'électrons).
- La cathode est l'électrode où se produit la réduction (gain d'électrons).
La force électromotrice (f.é.m.)
La f.é.m. d'une pile est la tension à vide (en l'absence de courant débité) entre ses deux électrodes. Elle caractérise la capacité de la pile à fournir de l'énergie électrique.
Exemple : la pile Daniell
La pile Daniell met en jeu les couples Cu2+/Cu et Zn2+/Zn, et produit un courant électrique tant que la réaction d'oxydoréduction spontanée entre le zinc et les ions cuivre n'a pas atteint l'équilibre.
3Validation directe — QCM
Chaque question peut avoir une ou plusieurs bonnes réponses. Cochez toutes les propositions qui vous semblent justes. L'ordre des questions et des réponses change à chaque nouvelle tentative.
1. Une pile électrochimique convertit :
2. Le rôle du pont salin dans une pile est de :
3. Le sens d'évolution spontané d'un système chimique est déterminé en comparant :
4. Dans « Piles et production d’énergie », quelle affirmation est exacte ?
5. Dans « Piles et production d’énergie », sélectionne toutes les propositions exactes.
6. À propos de « Piles et production d’énergie », quelles affirmations sont correctes ?
7. Parmi ces propositions sur « Piles et production d’énergie », lesquelles sont exactes ?
8. Dans « Piles et production d’énergie », quelle proposition décrit une erreur à éviter ?
9. Dans une pile en fonctionnement générateur, l’oxydation a lieu…
10. Dans une pile, la réduction a lieu…
11. Les électrons circulent dans le circuit extérieur…
12. Le pont salin sert notamment à…
13. Une pile débite I=0,50 A pendant 200 s. Quelle charge a circulé ?
14. La quantité d’électrons transférés est liée à la charge par…
15. Si Q=9650 C, combien de moles d’électrons ont circulé approximativement ?
16. Quelles transformations d’énergie ont lieu dans une pile ?
17. Pour identifier les électrodes d’une pile, il faut…
18. Dans une pile, quelles affirmations sont exactes ?
19. Une pile cesse de fonctionner lorsque…
20. Si une demi-équation produit 2 e- par mole d’espèce oxydée, alors 0,50 mol de cette espèce produit…
21. Quelles grandeurs permettent de relier durée de fonctionnement et quantité de matière transformée ?
22. Quelle erreur classique faut-il éviter ?
23. Quelle phrase résume correctement une pile ?
4Entraînement
Exercice type — Examen national
Examen nationalOn realise une pile Daniell en associant les couples Cu2+/Cu et Zn2+/Zn. La lame de zinc plonge dans une solution de sulfate de zinc, et la lame de cuivre plonge dans une solution de sulfate de cuivre, les deux compartiments etant relies par un pont salin.
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Sachant que le zinc s'oxyde spontanement au contact des ions cuivre, ecrire les deux demi-equations d'oxydoreduction aux deux electrodes.
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En deduire l'equation-bilan de la reaction spontanee se produisant dans cette pile.
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Identifier l'electrode qui joue le role d'anode et celle qui joue le role de cathode.
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Expliquer le role du pont salin dans le fonctionnement de cette pile.