Cours 1° Transformations spontanées








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titreCours 1° Transformations spontanées
date de publication24.01.2018
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Chimie, Chapitre IX Terminale S
Transformations forcées – électrolyse



I - Transformations forcées (cf. ACTIVITE DE COURS)
1°) Transformations spontanées

Nous avons étudié jusqu’à présent des systèmes chimiques sièges de transformations spontanées : ces systèmes évoluaient spontanément de l’état initial à l’état d’équilibre final. La seule contrainte éventuelle à cette évolution pouvait être d’ordre cinétique, dans le cas d’une transformation spontanée très lente.
2°) Transformation forcée

  1. Evolution spontanée d’un système

Considérons la réaction Cu(s) + Br2(aq) = Cu2+ (aq) + 2 Br-(aq)

La transformation mettant en jeu le dibrome et le cuivre métallique est spontanée et totale (K > 104)

En revanche, la transformation mettant en jeu les ions d’une solution de bromure de cuivre n’évolue pas spontanément (K < 10-4) ; il est néanmoins possible d’observer une transformation au moyen d’une électrolyse.


  1. L’électrolyse






Schéma d’une électrolyse



3°) Evolution du quotient de réaction



4°) Analyse énergétique

Un système chimique ne peut évoluer par une transformation forcée que si on lui fournit de l’énergie. Dans une électrolyse, un générateur électrique fournit de l’énergie électrique qui est stockée par le système sous forme d’énergie chimique.

Sous certaines conditions, cette énergie peut être restituée par le système car, après électrolyse, il est hors équilibre. Il peut donc être alors le siège d’une transformation spontanée et se comporter comme une pile.

II - Processus chimiques mis en jeu lors d’une

électrolyse
1°) Réactions d’électrode

Au cours d’une électrolyse, le sens du courant (donc le sens de transfert des électrons) dans le circuit est imposé par le générateur. A l’extérieur du générateur, les électrons doivent circuler du pôle –

vers le pôle +.

Les électrons vont se diriger vers l’électrode reliée au pôle – du générateur et y forcer une réduction. Des électrons vont se diriger de l’autre électrode vers le générateur ; une oxydation va donc être forcée à cette autre électrode. Les ions assurent la circulation du courant dans la solution.


Exemple :
Réactions aux électrodes pour l’électrolyse de l’eau

2°) Espèces électroactives


Les espèces électroactives peuvent être :

  • des anions ou des cations de la solution électrolytique ;

  • l’eau, qui est le réducteur du couple O2(g) / H2O(l) et l’oxydant du couple H2O(l) / H2(g) ;

  • le métal d’une électrode (ex : électrolyse à anode soluble).


3°) Quantité de matière d’une espèce transformée
Si l’intensité I du courant est constante, la quantité d’électricité Q traversant une section du circuit extérieur pendant la durée t est (Q en coulomb, I en ampère et t en seconde).

La quantité de matière d’électrons échangés à l’une des électrodes pendant la même durée t est

où F est le faraday en C.mol-1.


III - Applications de l’électrolyse
1°) Les accumulateurs
La plupart des piles ne peuvent et ne doivent pas être rechargées. Le fait de les soumettre à une tension inverse de celle qu’elle produise peut provoquer une autre réaction.

Certains générateurs électrochimiques sont susceptibles d’évoluer spontanément en fournissant de l’électricité au milieu extérieur (décharge), puis de subir ensuite une électrolyse (charge). Il s’agit des accumulateurs. Les réactions chimiques de la charge sont inverses de celles de la décharge. Les espèces chimiques électroactives consommées lors de la décharge sont régénérées lors de la charge.

Les accumulateurs peuvent généralement supporter un grand nombre de cycles charge-décharge avant l’usure.
a) Accumulateur au plomb
Les premiers accumulateurs au plomb apparaissent en 1860, construits par Gaston Planté. Ils représentent encore 65 % du marché.

Un élément d’accumulateur au plomb comporte deux électrodes en plomb dont l’une est recouverte de dioxyde de plomb PbO2. Les deux électrodes plongent dans une solution d’acide sulfurique (2 H+(aq) + (aq)) à 6 mol.L-1 (dangereux) et une solution de sulfate de plomb (Pb2+(aq) + (aq)).

Réaction spontanée lors de la décharge de l’accumulateur :

Réaction forcée lors de la charge de l’accumulateur :

b) Accumulateur cadmium-nickel
Les accumulateurs cadmium-nickel sont appelés improprement « piles rechargeables » dans le langage courant. Ils fonctionnent entre – 40°C et + 50°C. On peut les utiliser pour les appareils portables (accumulateur cylindrique de la taille d’une pile de 1,5 V) ou comme batteries de voitures électriques.

Comparativement aux accumulateurs au plomb, ils ont une énergie massique plus grande, sont plus légers mais en revanche plus coûteux.
2°) Applications industrielles
Industriellement, l’électrolyse est utilisée pour réaliser des dépôts métalliques et pour la préparation de métaux ou de gaz.


  1. Protection contre la corrosion : la galvanostégie

La galvanostégie consiste à déposer une couche métallique pour protéger un métal ou l’embellir. Les objets à recouvrir jouent le rôle de cathode et plongent dans un bain contenant le cation à déposer. Cette technique permet de déposer des couches d’argent, de cuivre, de nickel, d’étain, de chrome, de zinc ou d’or.


  1. Reproduction d’objets : la galvanoplastie


La galvanoplastie consiste à reproduire des objets en réalisant des moules au relief très précis : sculpture, pièce d’orfèvrerie ou CD.
c) Préparation des métaux
 Certains métaux (zinc, aluminium…) sont préparés par électrolyse de solutions aqueuses. Ainsi, plus de 50 % de la production mondiale de zinc relativement pur (à 99,5 %) sont obtenus par électrolyse d’une solution aqueuse de sulfate de zinc.


Surface des électrodes

3,2 m2

Durée du dépôt

48 h

Nombre de cathodes par cellules

86

Intensité dans chaque cellule

115000 A

Masse de zinc obtenue par cellule

3000 kg / jour

Tension d’électrolyse

3,5 V


Le rendement électrochimique est de 90 %, ce qui signifie que 10 % du courant consommé lors de l’électrolyse sert à autre chose qu’à produire du zinc. Cette quantité d’électricité est consommée par une ou plusieurs réactions secondaires aux électrodes. Les industries de l’électrolyse comptent parmi les plus gros consommateurs d’électricité.
 Beaucoup de méthodes chimiques de préparation laissent subsister des impuretés. La purification des métaux par électrolyse est possible (utilisation d’une anode soluble) :

- Le métal impur constitue l’anode. Il subit une oxydation et passe à l’état d’ions en solution. Les impuretés libérées, si elles sont métalliques, se transforment en cations et donc passent en solution, tombent au fond de l’électrolyseur ou restent en suspension dans l’électrolyte ;

- A la cathode, les ions métalliques en solution subissent une réduction, le métal très pur se

dépose.

Le cuivre utilisé pour la fabrication des conducteurs électriques est ainsi purifié.

d) Préparation des gaz

Le dihydrogène et le dioxygène sont préparés par électrolyse de solutions aqueuses d’hydroxyde de potassium (K+(aq) + HO-(aq)).

Le dichlore et la soude sont obtenus par électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium.

- Réaction à l’anode (oxydation des ions chlorure en dichlore) : Cl-(aq)  Cl2(aq) + 2 e-

- Réaction à la cathode (réduction de l’eau en dihydrogène et en ions hydroxyde) :

2 H2O(l) + 2 e-  H2(g) + 2 HO-(aq).

Si on ne prend pas de précautions, la dichlore réagit avec les ions hydroxyde pour former des ions hypochlorite et chlorure ; on obtient alors une solution d’eau de Javel.

Si on empêche cette dernière réaction d’avoir lieu, on peut ainsi produire du dichlore (produit principal) et de l’hydroxyde de sodium (produit secondaire). L’équation de la réaction globale d’électrolyse est alors, en tenant compte des ions spectateurs :

2 Na+(aq) + 2 Cl-(aq) +2 H2O(l) = Cl2(aq) + H2(g) + 2 Na+(aq) + 2 HO-(aq)

Dichlore Hydroxyde de sodium

Actuellement, 44 millions de tonnes de dichlore par an sont produits dans le monde par électrolyse. Le dichlore est une matière première très importante pour la production de PVC notamment et intervient dans la synthèse de 85 % des médicaments et de 96 % des produits phytosanitaires.



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