CLASSIFICATION QUANTITATIVE DES COUPLES OXYDANTS / REDUCTEURS

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CLASSIFICATION QUANTITATIVE DES COUPLES OXYDANTS / REDUCTEURS

1 ÉTUDE DE LA PILE DANIELL (PILE ZINC/CUIVRE)

1.1 Dispositif expérimental

 Plaçons une lame de cuivre dans un bécher contenant une solution de sulfate de cuivre II (CuSO4).

 Plaçons une lame de cuivre dans un autre bécher contenant une solution de sulfate de zinc (ZnSO4).

 Assurons le contact électrique entre ces deux couples par un pont salin constitué d’une bande de papier filtre imbibé de solution saturée de nitrate de potassium (KNO3)

 Relions la lame de cuivre à la borne positive d’un voltmètre et la lame de zinc à sa borne négative.(Voir figure)

1.2 Résultats

Le voltmètre indique une tension positive. La lame de cuivre constitue le pôle positif de la pile et la lame de zinc le pôle négatif.

1.3 Interprétation

a Notion de demi-pile

Une demi-pile est un couple redox constituée d’une lame de métal trempant dans une solution contenant l’ion métallique correspondant.

- + V

SCHÉMA DE LA PILE DANIELL

Lame de cuivre

Solution de sulfate de cuivre

Pont salin Solution de sulfate de

zinc

Lame de zinc

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Remarque :

Une pile est constituée de deux demi-piles reliées par un pont ionique (salin).

b Réaction aux électrodes

A l’extérieur de la pile obtenue, les électrons se déplacent de la lame de Zinc vers la lame de Cuivre. Le zinc est donc plus réducteur que le cuivre.

 A l’électrode de zinc (-) : le zinc subit une oxydation

Zn Zn

²⁺

+ 2e

^-

 A l’électrode de cuivre (+) : le cuivre est réduit :

Cu

²⁺

+ 2e

^-

Cu

 Réaction globale dans la pile :

Zn + Cu

²⁺

Cu + Zn

²⁺

Remarque :

 La concentration en ions Cu²⁺ diminue dans la demi-pile Cu²⁺/Cu tandis que la masse de cuivre augmente.

 La concentration en ions Zn²⁺ augmente tandis que la masse de la lame de zinc diminue dans la demi-pile Zn²⁺/Zn.

c Notation conventionnelle d’une pile

 Le pôle «  » est placé à gauche et le pôle « + » à droite.

 La séparation entre électrodes métalliques et solution est symbolisée par une barre.

 La séparation entre compartiments (demi-piles) est symbolisée par deux barres en traits pointillés.

Zn Zn

²⁺

Cu

²⁺

Cu

²⁺

d f.é.m de la pile

La valeur indiquée par le voltmètre (E = 1,1V) est la tension à vide ou force électromotrice (f.é.m) de la pile :

- +

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1.4 Conclusion

Le bilan des transformations qui se déroulent aux électrodes lorsque la pile débite est celui de la réaction naturelle (spontanée) entre les couples Cu²⁺/Cu et Zn²⁺/Zn.

Le métal le plus réducteur (Zn) constitue la borne négative de la pile et le moins réducteur (cuivre) constitue la borne positive.

Remarque : la règle de « gamma » est respectée.

2 AUTRES EXEMPLES DE PILES

2.1 Etude de la pile Plomb/Cuivre

a Dispositif expérimental

Cette pile est constituée de deux demi-piles Pb²⁺/Pb et Cu²⁺/Cu reliées par un pont salin.

b Résultats

 f.é.m de la pile

E = V

Cu

– V

Pb

= 0,47V

 Réactions aux électrodes

Le plomb est plus réducteur que le cuivre. La lame de plomb est donc la borne négative et la lame de cuivre constitue le pôle positif.

- + V

SCHÉMA DE LA PILE PLOMB/CUIVRE

Lame de plomb Lame de cuivre

Solution de sulfate de cuivre

Solution de sulfate de plomb

Pont salin

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- A l’électrode de cuivre : Cu²⁺ + 2e^- Cu - A l’électrode de plomb : Pb Pb²⁺ + 2e^-

Réaction globale de la réaction :

Cu

²⁺

+ Pb Cu + Pb

²⁺



Schéma de la pile

-

Pb Pb

²⁺

Cu

²⁺

Cu +

Remarque : La règle de « gamma » est respectée :

2.2 Etude de la pile Zinc/Plomb

a Dispositif expérimental

Cette pile est constituée de deux demi-piles Pb²⁺/Pb et Zn²⁺/Zn reliées par un pont salin.

Pb²⁺ Pb Cu²⁺ Cu

- + V

SCHÉMA DE LA PILE ZINC/ PLOMB

Lame de plomb Lame de zinc

Solution de sulfate de plomb

Solution de sulfate de zinc

Pont salin

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b Résultats



f.é.m de la pile

Le voltmètre indique E = 0,63V

c Interprétation

Le zinc est plus réducteur que le plomb. La lame de zinc constitue donc le pôle négatif et la lame de plomb le pôle positif.



Schéma de la pile :

-

Zn Zn

²⁺

Pb

²⁺

Pb +



Réactions aux électrodes :

 A l’électrode de zinc : Zn Zn²⁺ + 2e^-

 A l’électrode de plomb : Pb²⁺ + 2e^- Pb

 Equation-bilan de la réaction

Pb

²⁺

+ Zn Zn

²⁺

+ Pb

Remarque : La règle de « gamma » est respectée

Zn²⁺ Zn Pb²⁺ Pb

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3 NOTION DE POTENTIEL D’OXYDORÉDUCTION

3.1 Demi-pile à hydrogène

a Constitution

Une demi-pile à hydrogène est constituée par une électrode de platine (Pt) plongeant dans une solution d’acide tandis q’un courant de dihydrogène barbote au-dessus d’elle.

b Electrode standard à hydrogène

Lorsque le pH de la solution dans laquelle plonge l’électrode de platine est nulle et la pression du courant du dihydrogène est égale à 1 bar, l’électrode a hydrogène est dite standard et appelée électrode standard à hydrogène (ESH).

3.2 Définition du potentiel d’oxydoréduction

La ddp en circuit ouvert entre l’électrode métallique et l’électrode standard à hydrogène est appelé potentiel d’oxydoréduction. Il est noté

Mn / M

E  et égal :

E

Mⁿ/ M

= (V - V

M ESH

)

Remarque :

 Par convention VESH = 0V à toutes les températures.

 Le potentiel d’oxydoréduction est une grandeur algébrique. Elle est fonction de la température et de la concentration de la solution ; Lorsque la concentration est égale 1mol/L, on parle de potentiel standard ou potentiel normal et noté

E

^Mn^/ M

4 CLASSIFICATION QUANTITATIVE DES COUPLES M

^N+

/M

4.1 Mesure des ddp de quelques piles

PILES Pôle « + » Pôle « - » Mesures expérimentales (V)

Mesures théoriques (V)

Cu/Zn 1,1

Cu/Pb 0,47

Cu/Fe 0,78

Pb/Fe 0,31

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Pb/Zn 0,63

Ag/Cu 0,43

Ag/Pb 0,90

Ag/Fe ^1,21

Ag/Zn ^1,53

Remarques : Les valeurs expérimentales sont sensiblement égales aux valeurs théoriques.

4.2 Potentiels normaux des couples M

ⁿ⁺

/M

La valeur mesurée représente la ddp de la pile considérée.

La valeur de la force électromotrice d’une pile est égale à la valeur absolue de la ddp.

Le potentiel d’oxydoréduction du Cu²⁺/Cu est VCu2/ Cu = 0,34V.

Déterminons les potentiels normaux des autres couples :

0 0

2+ 2+

2+ 2

2

+

2+

+

Cu / Zn Cu / Cu Zn / Zn

Cu/Zn

Zn / Zn Cu / Cu

0 Zn /Zn 0 Zn / Zn

E = E - E

E = -E + E

E = - 1,1 + 0

E =

,34

- 0,77 V



Couples Cu²⁺/Cu Zn²⁺/Zn Fe²⁺/Fe Pb²⁺/Pb Ag⁺/Ag

E° (V) 0,34 - 0,77 - 0,44 -0,13 0,80

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4.3 Classification électrochimique quantitative

La connaissance des potentiels d’oxydoréduction permet d’établir une classification électrochimique quantitative des couples

4.4 Signe du potentiel

 Si un métal est moins réducteur que le dihydrogène alors son potentiel d’oxydoréduction est positif.

 Si un métal est plus réducteur que le dihydrogène alors son potentiel d’oxydoréduction est négatif.

4.5 Utilisation des potentiels d’oxydoréduction

 La connaissance des potentiels d’oxydoréduction permet de prévoir le sens de la réaction d’oxydoréduction naturelle (spontanée) entre deux couples redox.

 Lorsque deux couples constituent une pile, la borne positive est celle qui correspond au couple de potentiel standard le plus élevé et la borne négative est celle qui correspond au couple de potentiel standard le plus bas.

 Une réaction entre deux couples redox peut être totale lorsque la différence de potentiel entre les couples mis en jeu est supérieure ou égale à 0,3V.

Activité d’application

Soient les potentielle normaux des couples oxydants / réducteurs suivants : E⁰Au3+

/ Au = 1,50 V ; E⁰Mg2+

/Mg =  2, 37 V 1. Détermine la réaction possible entre les couples.

2. Ecris l’équation-bilan de cette réaction chimique.

0,80 0,34 0,00 - 0,13 - 0,44 - 0,77

E°

(V)

P.R.C P.O.C

Cu²⁺ Cu H3O⁺ H2

Pb²⁺ Pb

Fe²⁺ Fe Zn²⁺ Zn Ag⁺ Ag

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SITUATION D’EVALUATION

Au concours annuel des clubs scientifiques de la ville d’Abidjan, le club de ton établissement scolaire auquel tu appartiens, choisit de montrer au jury qu’il est capable de réaliser une pile, puis d’expliquer le fonctionnement. Pour ce faire, vous vous procurez le matériel suivant :

 Deux bocaux contenant l’un 60 mL d’une solution de sulfate de zinc et l’autre 60 mL d’une solution de sulfate de cuivre de même concentration molaire volumique égale à 1 mol/L ;

 Une lame de zinc et une lame de cuivre ;

 Du coton imbibé de solution de chlorure de potassium ;

 Un voltmètre.

Tu es désigné comme présentateur du groupe, sachant que la masse molaire du cuivre est 63,5 g/mol.

1. Fais le schéma annoté de la pile que ton club a choisi de réaliser.

2. Ecris :

2.1 Les demi-équations aux électrodes de la pile ;

2.2 L’équation-bilan de le réaction chimique qui a eu lieu lors du fonctionnement de la pile.

3. Explique le fonctionnement de la pile en y incluant le rôle du coton imbibé.

4. Détermine la masse de métal formé lorsque tous les ions oxydants ont été consommés.