Fiche de physique - chimie
> >

FORCER LE SENS DE L'ÉVOLUTION D'UN SYSTÈME CHIMIQUE

Partager :


I. Des transformations spontanées aux transformations forcées

1. Transformations spontanées

* Dans la pile à combustible, le dihydrogène H2(g) et le dioxygène O2(g) sont utilisés ; l'équation de la réaction est 2H2(g) + O2(g) \longrightarrow 2H2O(l).

Forcer le sens de l'évolution d'un système chimique : image 1

* L'évolution spontanée du système libère de l'énergie électrique.

* Problématique : est-il possible d'inverser le sens d'évolution du système chimique en fournissant de l'énergie électrique ?

2. Transformations forcées

* Expérience :
dans un électrolyseur, on met de l'eau rendue conductrice par ajout d'acide sulfurique ;
on relie l'électrolyseur à un générateur de tension.

Forcer le sens de l'évolution d'un système chimique : image 3

* Résultats :
On observe un dégagement gazeux à la surface des électrodes :
  • le gaz dégagé à la cathode brûle avec une petite détonation : c'est H2
  • le gaz dégagé à l'anode ravive la combustion d'une allumette : c'est O2.

* Interprétation :
L'équation de la réaction est 2H2O(l) \longrightarrow 2H2(g) + O2(g).
Elle représente la transformation inverse de celle de l'évolution spontanée.
La réaction d'électrolyse est une transformation forcée : elle a lieu grâce à l'apport d'énergie électrique fournie par le générateur. Elle s'arrête dès que l'apport d'énergie s'arrête.

* Remarques :
lors d'une transformation forcée, le système chimique ne respecte pas le critère d'évolution spontanée :

Forcer le sens de l'évolution d'un système chimique : image 4

pour que le système évolue en sens inverse du sens spontané, le générateur doit imposer une tension minimale aux bornes de l'électrolyseur.

II. Électrolyse

1. Définitions


Électrolyse
L'électrolyse est une transformation forcée due à la circulation d'un courant imposé par un générateur de tension continue.

Le sens du courant de l'électrolyse, imposé par le générateur, est l'inverse de celui qui serait observé si le système évoluait spontanément.

Un électrolyseur est un récipient qui contient deux électrodes reliée à un générateur de tension continue.

Forcer le sens de l'évolution d'un système chimique : image 2

L'électrode à laquelle se produit la réduction est la cathode.
Exemple : ( 2H+ + 2e- \longrightarrow H2(g) ) x2

L'électrode à laquelle se produit l'oxydation est l'anode.
Exemple : 2H2O(l) \longrightarrow O2(g) + 4H+ + 4e-

Bilan de l'électrolyse : 2H2O(l) \longrightarrow 2H2(g) + O2(g).

2. Étude d'une électrolyse

Propriété
L'électrolyse est une transformation forcée par le générateur :
on connait le sens du courant
on fait le bilan des espèces présentes dans l'électrolyseur : espèces du soluté, solvant, les électrodes.
On envisage :
  • les réductions possibles à la cathode ;
  • les oxydations possibles à l'anode.

C'est l'analyse des produits formés qui permet de déterminer les réactions qui se produisent réellement aux électrodes.

3. Application

* Pour l'exemple choisi : électrolyse d'une solution d'acide sulfurique (H2SO4) avec électrode en platine (Pt) :
Les espèces présentes sont H2O, H3O+, SO42-, Pt
Les couples en jeu sont O2/H2O, H2O/H2, H+/H2 (ou H3O+/H2), S2O82-/SO42-, SO42-/SO2 et Pt2+/Pt.

Les oxydants qui peuvent être réduits à la cathode sont H2O, H+, SO42-.
Les réducteurs qui peuvent être oxydés à l'anode sont H2O, SO42-, Pt.

L'expérience montre que :
  • H2 se dégage à la cathode
  • O2 se dégage à l'anode.


Donc :
  • H+ réagit à la cathode, l'équation de la réaction est ( 2H+ + 2e- \longrightarrow H2 ) x2
  • H2O réagit à l'anode, l'équation de la réaction est 2H2O \longrightarrow O2 + 4H+ + 4e-.


Le bilan de l'électrolyse s'obtient en additionnant les équations précédentes après avoir équilibré le nombre d'électrons : 2H2O \longrightarrow 2H2 + O2.

* Conclusion : le générateur impose le sens du courant et force le système à évoluer dans le sens de la décomposition de l'eau qui est le solvant de la solution électrolysée.

III. Stockage et conversion d'énergie

1. Les piles

* Les piles sont abordées en détail dans cette fiche : fiches Les piles électrochimiques

* Du fait de leur petite taille, la quantité d'énergie électrique susceptible d'être stockée est faible.

* En outre, elles contiennent des électrolytes et des électrodes qui sont polluants pour l'environnement : nickel, cadmium, etc.

2. Les accumulateurs

* Les accumulateurs sont des systèmes électrochimiques rechargeables :
Lors de sa décharge, c'est la transformation d'oxydoréduction spontanée qui se produit ;
Lors de sa charge, c'est la transformation d'oxydoréduction forcée qui se produit.

* Une batterie est un ensemble constitué de plusieurs accumulateurs en série. C'est le cas des batteries au plomb des voitures par exemple. Ces dernières permettent de stocker une énergie plus importante qu'une pile.

3. Les organismes chlorophylliens

* Contrairement à l'électrolyse, la photosynthèse est une transformation d'oxydoréduction forcée non pas par un courant électrique mais par la lumière.

* Grâce aux photons de la lumière visible, la chlorophylle contenue dans les plantes convertit le dioxyde de carbone et l'eau en glucose (= réserve d'énergie chimique) et en dioxygène.

Publié le
ceci n'est qu'un extrait
Pour visualiser la totalité des cours vous devez vous inscrire / connecter (GRATUIT)
Inscription Gratuite se connecter
Merci à
gbm Webmaster
pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche


Mentions légales - Retrouvez cette page sur l'île de la physique - chimie
© digiSchool 2021

Vous devez être membre accéder à ce service...

Pas encore inscrit ?

1 compte par personne, multi-compte interdit !

Ou identifiez-vous :


Rester sur la page

Inscription gratuite

Fiches en rapport

parmi 236 fiches de physique

Désolé, votre version d'Internet Explorer est plus que périmée ! Merci de le mettre à jour ou de télécharger Firefox ou Google Chrome pour utiliser le site. Votre ordinateur vous remerciera !