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Caractère spontané d’une transformation mettant en jeu des réactions d’oxydo-réduction

Objectifs :

- Déterminer le sens de l’évolution spontanée d’une transformation mettant en jeu les couples Métaln+/Métal suivants : Cu2+/Cu et Zn2+/Zn.

- Construire un dispositif permettant de récupérer, sous forme d’énergie électrique, l’énergie transférée au cours de la transformation chimique.

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Évolution d’un mélange comportant Cu2+, Cu, Zn2+ et Zn

Dans un becher comportant les espèces Cu2+(aq) et Zn2+(aq) et les espèces Cu(s) et Zn(s), deux réactions inverses l’une de l’autre sont susceptibles de se produire :

Cu2+(aq) + Zn(s) = Cu(s) + Zn2+(aq) Pour déterminer le sens d’évolution spontanée du

système, il est nécessaire de connaître la constante d’équilibre K et composition initiale du mélange.

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Constante d’équilibre et conditions initiales

Cu2+(aq) + Zn(s) = Cu(s) + Zn2+(aq) La réaction chimique ainsi écrite a pour

constante d’équilibre K = 1037. Choisissons [Cu2+] = [Zn2+] = 1,0 mol/L. Quotient de réaction initial : Qri = [Zn2+]i/[Cu2+]i = 1 Qri < K , la transformation devrait donc se

produire spontanément dans le sens direct.

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Vérification expérimentale

La transformation s’est faite dans le sens prévu en libérant de l’énergie par transfert thermique !

État initial

Zn2+ Zn

Cu

Cu2+

État Final

Cu

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Situation problème : Comment contrôler l’échange d’électrons ?

Placer dans deux bechers différents les espèces des couples Cu2+/Cu et Zn2+/Zn.

Peut-on réaliser l’échange d’électrons entre les ions Cu2+ et les atomes de Zn et comment l’observer ? Disposer entre les deux électrodes un fil conducteur et un ampèremètre.

Zn

Zn2+

Cu

Cu2+

A

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Aucun déplacement d’électrons entre les deux lames métalliques n’est observé ! La transformation n’a pas lieu.

Si tel était le cas, la neutralité électrique des solutions ne serait pas conservée !

Zn

Zn2+

Cu

Cu2+

1 2

A

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Finalisation du dispositif : la pile

Zn

Zn2+

Cu

Cu2+

A

Papier imbibé de K+ + NO3-

« Pont salin »

i e A

Le courant passe ! Le système constitue une pile et produit de l’énergie électrique. Le sens du courant électrique, du cuivre vers le zinc, est en accord avec le sens de la transformation prévu Cu2+ + Zn Cu + Zn2+

Intercaler, entre les deux bechers, un morceau de papier filtre imbibé de solution de nitrate de potassium K+ + NO3

-

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Fonctionnement de la pile Cuivre/Zinc

Pont salin

ZnCu

conducteur

les actes présentés comme successifs sont en fait simultanés

NO3-

K+ NO3-

K+

2e-

Cu2+

2e-

Zn2+

2e-

A I

+ -i

Réduction

Cu2++2e-=Cu

CATHODE

Oxydation

Zn=Zn2++2e-

ANODE

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F.é.m de la pile Cuivre/Zinc

Zn

Zn2+

Cu

Cu2+

1

V

2

Pont salin

+ -

ECu/Zn = VCu – VZn = 1,10 V

Utiliser un voltmètre pour mesurer la différence de potentiel à vide entre les deux électrodes :

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Conclusion générale sur la f.é.md’une pile électrochimique

La force électromotrice d’une pile constituée à partir de deux couples du type Métaln+/Métal est égale à la différence de potentiel (à vide) entre les deux électrodes.

Le potentiel d’électrode VM, mesuré par rapport à une référence, dépend de la nature du couple Métaln+/Métal et croît avec la concentration de l’espèce dissoute Métaln+.