Chapitre 9 : Forcer le sens d’évolution d’un système

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Chapitre 9 : Forcer le sens d’évolution d’un système

Introduction : Peut-on forcer un système chimique à évoluer dans les sens contraire de son évolution spontanée ?

1) Transformation spontanée et forcée

1.1. Transformation spontanée

Une transformation est dite spontanée , si au cours de la transformation, Q

ri

tend vers K = Q

r eq

Exemple :

• A t= 0 :Sous hotte, on place une solution de dibrome (Br

2(aq)

) dans un tube à essais. On ajoute quelques morceaux de cuivre.

• A t = 5h :On observe que la couleur orangée disparaît pour laisser place à une couleur verdâtre ou bleue lorsque la réaction est terminée.

• En ajoutant du cyclohexane (qui extrait le dibrome des

solutions aqueuses), on observe que la phase queuse est bleue.

En fait le dibrome (Br

2(aq)

) disparaît (décoloration) et des ions cuivre (Cu

²⁺(aq)

) (couleur bleu) apparaissent

→ Ecrivez les 1/2 équations redox, puis le bilan. Déterminez Q

ri

→ Sachant que K(T) = 5.10

²⁴

, déterminez le sens de la réaction spontanée.

→ D’après les observations en fin de transformation, concluez quant au sens d’évolution.

1.2. Transformation forcée

Une transformation est dite forcée , si au cours de la transformation, Q

ri

s’éloigne de K = Q

r eq

Exemple : Reprenons la solution précédente obtenue :Le bromure de cuivre (Cu

²⁺(aq)

+ 2 Br

^-(aq)

) de

concentration 0,10 mol∙L

^-1

et plaçons la dans un tube en U.

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• On place une électrode de graphite dans chaque compartiment.

• On branche les électrodes aux bornes d’un générateur délivrant une tension de 6 V.

On observe que le courant circule (intensité non nulle).

→

Qu’observe-t-on au bout de quelques minutes sur chaque électrode ?

→

Ecrivez l’équation de la transformation.

→

Que remarquez vous par rapport à la réaction spontanée ?

2) Forcer une transformation chimique : l’électrolyse

2.1 Principe

• L’électrolyseur est un vase dans lequel 2 électrodes sont présentes et peuvent être reliées à un générateur de tension continue.

• Il se produit une OXYDATION à l’Anode.

• Il se produit une REDUCTION à la Cathode.

2.2. Quantité d’électricité

La quantité d’électricité Q transférée lors d’une électrolyse est donnée par : 𝐐 = 𝐈 × 𝐭

Cette quantité est également donnée par :

𝐐 = 𝐧(𝐞

⁻

) × 𝐍

_𝐀

× 𝐞 = 𝐧(𝐞

⁻

) × 𝐅

En combinant les 2 relations, on obtient :

𝐐 = 𝐈 × 𝐭 = 𝐧(𝐞

⁻

) × 𝐅 ( même relation que pour la pile ! ) Q : quantité d’électricité (C)

I : intensité (A) t : durée (s)

Q : quantité d’électricité (C)

n(e

^-

) : quantité d’électrons échangés (mol) N

A

: constante d’Avogadro (6,02×10

²³

mol

^-1

) e : charge élémentaire (1,6×10

^-19

C)

F : constante de Faraday (9,65×10

⁴

C∙ mol

^-1

)

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2.3. Pile Vs Electrolyse

Plusieurs remarques importantes :

1. Le sens de déplacement des électrons CHANGE entre les 2 2. Anode et Cathode sont différentes entre les 2 !

3. Le bilan chimique est exactement le contraire !

3) Stockage et conversion de l’énergie chimique

3.1. Principe

Lors du stockage ou de la conversion, on remarque qu’il y a des pertes, souvent sous forme de chaleur.

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3.2. Piles

Lorsqu’elle fonctionne, une pile, convertit l’énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction spontanée d’oxydoréduction.

Elles stockent peu d’énergie et contiennent des substances polluantes qui sont mal recyclées

3.3. Accumulateur

Un accumulateur est un système électrochimique qui agit comme un dispositif de stockage d’énergie chimique.

Il peut fonctionner suivant deux modes :

→ générateur : comme dans une pile, une réaction d’oxydoréduction spontanée convertit l’énergie chimique en énergie électrique,

→ récepteur : une source électrique extérieure permet de reformer les réactifs par la transformation inverse forcée

Exemple :

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batterie au plomb d’une voiture batterie lithium-ion d’une voiture électrique Remarques :

• Les accumulateurs limitent la consommation de matière première par rapport aux piles et stockent de plus en plus d’énergie.

• Le nombre de cycles Charge/Décharge limite la durée de vie de l’accumulateur

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3.4. Pile à combustible ou pile à hydrogène

3.5. Organismes chlorophylliens

Les plantes chlorophylliennes utilisent un stockage biochimique de l’énergie :

• En effet lors de la respiration, qui est une réaction spontanée, elles dégradent le glucose en libérant de l’énergie C

6

H

12

O

6

+ 6 O

2

 6 CO

2

+ 6 H

2

O

• Dans la journée, grâce à la chlorophylle et l’énergie lumineuse la plante transforme l’eau et le dioxyde de carbone en glucose et dioxygène. C’est la réaction inverse de la précédente, elle n’est pas

spontanée mais forcée 6 CO

2

+ 6 H

2

O  C

6

H

12

O

6

+ 6 O

2

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