Transformations forc´ ees

Transformations forc´ ees

I. Des transformations spontan´ees aux transformations forc´ees

1. Transformations spontan´ees

Dans la pile `a combustible, le dihydrog`ene H2(g) et le dioxyg`ene O2(g) sont utilis´es ; l’´equation de la r´eaction est 2H2(g) + O2(g) ^ÝÑ 2H2O(l).

L’´evolution spontan´ee du syst`eme lib`ere de l’´energie ´electrique.

Est-il possible d’inverser le sens d’´evolution du syst`eme chimique en fournissant de l’´energie ´electrique ?

2. Transformations forc´ees

Exp´erience :

dans un ´electrolyseur, on met de l’eau rendue conductrice par ajout d’acide sulfurique ;

on relie l’´electrolyseur `a un g´en´erateur de tension.

R´esultats :

On observe un d´egagement gazeux `a la surface des ´electrodes :

le gaz d´egag´e `a la cathode brˆule avec une petite d´etonation : c’est H2

le gaz d´egag´e `a l’anode ravive la combustion d’une allumette : c’est O2.

Interpr´etation :

L’´equation de la r´eaction est2H2O(l)^ÝÑ 2H2(g) + O2(g).

Elle repr´esente la transformationinversede celle de l’´evolution spontan´ee.

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La r´eaction d’´electrolyse est une transformation forc´ee : elle a lieu grˆace `a l’apport d’´energie ´electrique fournie par le g´en´erateur. Elle s’arrˆete d`es que l’apport d’´energie s’arrˆete.

Remarques :

lors d’une transformation forc´ee, le syst`eme chimique ne respecte pas le crit`ere d’´evolution spontan´ee :

pour que le syst`eme ´evolue en sens inverse du sens spontan´e, le g´en´erateur doit imposer une tension mini- male aux bornes de l’´electrolyseur.

II. ´ Electrolyse

1. D´efinitions

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L’´electrolyse est une transformation forc´ee dˆue `a la circulation d’un courant impos´e par un g´en´erateur de tension continue.

Le sens du courant de l’´electrolyse, impos´e par le g´en´erateur, est l’inverse de celui qui serait observ´e si le syst`eme ´evoluait spontan´ement.

Un´electrolyseurest un r´ecipient qui contient deux ´electrodes reli´ee `a un g´en´erateur de tension continue.

L’´electrode `a laquelle se produit la r´eduction est lacathode.

Exemple: ( 2H⁺+ 2e^{- ÝÑ}H2(g) ) x2

L’´electrode `a laquelle se produit l’oxydation est l’anode.

Exemple: 2H2O(l) ^ÝÑO2(g) + 4H⁺+ 4e^- Bilan de l’´electrolyse: 2H20^ÝÑ2H2 + O2.

2. ´ Etude d’une ´electrolyse

L’´electrolyse est une transformation forc´ee par le g´en´erateur.

on connait lesens du courant

on fait lebilan des esp`eces pr´esentes dans l’´electrolyseur: esp`eces du solut´e, solvant, les ´electrodes.

On envisage

les r´eductionspossibles`a la cathode

les oxydations possibles`a l’anode C’estl’analyse des produits form´es qui permet de d´eterminer les r´eactions qui se produisent r´eellement aux ´electrodes.

3. Pour l’exemple choisi : ´electrolyse d’une solution d’acide sulfurique (H

SO

) avec ´electrode en platine (Pt)

Les esp`eces pr´esentes sontH2O,H3O⁺,SO42-,Pt

Les couples en jeu sont O2/H2O,H2O/H2,H⁺/H2 (ou H3O⁺/H2), S2O82-/SO42-,SO42-/SO2 et

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Pt²⁺/Pt.

Les oxydants qui peuvent ˆetre r´eduits `a la cathode sont H2O, H⁺, SO42-

.

Les r´educteurs qui peuvent ˆetre oxyd´es `a l’anode sont H2O, SO42-, Pt.

L’exp´erience montre que

H2 se d´egage `a la cathode

O2 se d´egage `a l’anode.Donc H<sup>+</sup> r´eagit `a la cathode, l’´equation de la r´eaction est (2H⁺ + 2e^{- ÝÑ} H2 ) x2

H2O r´eagit `a l’anode, l’´equation de la r´eaction est2H2O^ÝÑO2 + 4H⁺ + 4e^-.

Le bilan de l’´electrolyse s’obtient en additionnant les ´equations pr´ec´edentes apr`es avoir ´equilibr´e le nombre d’´electrons :2H2O^ÝÑ2H2 + O2.

Conclusion : Le g´en´erateur impose le sens du courant et force le syst`eme `a ´evoluer dans le sens de la d´ecomposition de l’eau qui est le solvant de la solution ´electrolys´ee.

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