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

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Zn Zn2+ Cu Cu Cu2+ État initial État Final Vérification expérimentale La transformation s’est faite dans le sens prévu en libérant de l’énergie par transfert thermique !

5. A Cu Zn Cu2+ Zn2+ 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.

6. A Cu 1 2 Zn Cu2+ Zn2+ • 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 !

7. e i A A Cu Zn Papier imbibé de K+ + NO3- « Pont salin » Cu2+ Zn2+ • 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+ Finalisation du dispositif : la pile • Intercaler, entre les deux bechers, un morceau de papier filtre imbibé de solution de nitrate de potassium K+ + NO3-

8. conducteur A I 2e- Pont salin 2e- 2e- K+ NO3- K+ NO3- Zn2+ Cu Zn Cu2+ les actes présentés comme successifs sont en fait simultanés Fonctionnement de la pile Cuivre/Zinc Oxydation Zn=Zn2++2e- ANODE Réduction Cu2++2e-=Cu CATHODE - + i

9. Cu Zn Cu2+ V - + Pont salin Zn2+ 1 2 ECu/Zn = VCu – VZn = 1,10 V F.é.m de la pile Cuivre/Zinc • Utiliser un voltmètre pour mesurer la différence de potentiel à vide entre les deux électrodes :

10. 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+.