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Leçon de chimie n°14 (agrégation 2011) :
Électrolyses et accumulateurs : mise en jeu de transformations chimiques forcées (L).

Transcription des notes manuscrites de préparation à l'agrégation. Les schémas et le détail des calculs sont dans le document original : télécharger la leçon manuscrite (PDF, 2 pages).

Remarques du jury

Montrer le cas sans courant ; exemples de la vie courante.

Prérequis

Oxydoréduction, piles, équilibre.

Introduction

Leçon précédente : électrolyte, réaction spontanée, pile…

Transformations forcées

Mise en évidence

Électrolyse d'une solution de Cu²⁺, Br⁻ avec électrodes de graphite. Couples Cu²⁺/Cu et Br₂/Br⁻ : Cu²⁺ + 2 Br⁻ → Cu + Br₂, K = 10⁻²⁵. Q_r,i = 0 donc sens direct, mais le tableau d'avancement donne [Br₂] = 10⁻³⁰ mol/L : non spontanée.

• Montrer que pour E > E_min, I ≠ 0 ;
• présence de Cu sur le graphite et de Br₂.

Analyse

Le générateur force le passage du courant : Cu²⁺ + 2 Br⁻ = Cu + Br₂. Anode : 2 Br⁻ = Br₂ + 2 e⁻ ; cathode : Cu²⁺ + 2 e⁻ = Cu ; pôles inversés par rapport à la pile, convention générateur. Si on arrête, la présence de Cu et Br₂ constitue une pile.

L'électrolyse

Définition : transformation forcée due au transfert d'électrons imposé par une source (générateur). Il faut une tension minimale (de l'ordre de la fém inverse).

Bilan électrochimique

Comme pour la pile, \(I\Delta t = nF\) (I imposé par le générateur) : on en déduit la quantité consommée et le coût énergétique.

Applications

Aspect général

• Production de Cl₂ : papier et chimie organique ;
• protection des métaux ;
• purification des métaux ;
• accumulateurs ;
• restauration de pièces.

Électrozingage (TP tout prêt)

Pièce de fer en cathode, anode de zinc, solution de Zn²⁺, 30 min : calcul de l'épaisseur de zinc déposée, rapport à l'effet Joule.

Les accumulateurs : cas du plomb

Principe : l'électrolyse stocke de l'énergie restituée ensuite comme une pile.

Expérience (Porteu) : deux électrodes de plomb dans H⁺, SO₄²⁻. Première charge : Pb + 2 H₂O → PbO₂/Pb + 4 H⁺ + 4 e⁻ et 2 H⁺ + 2 e⁻ = H₂(g). Décharge (générateur) : PbO₂ + Pb + 4 H⁺ + 2 SO₄²⁻ → 2 PbSO₄(s) + 2 H₂O. Autres charges : inverse de la décharge.

Application aux batteries de voiture, piles rechargeables.

Conclusion

En biologie : réaction forcée chez la plante, CO₂ + H₂O → cellulose + O₂ (le générateur est la lumière) ; réaction spontanée de la respiration : O₂ + sucre → CO₂ + H₂O.

Bibliographie

• Parisi, TS
• Villa, TS
• TP tout prêts
• Porteu-de Buchère, L'épreuve orale de chimie
• H-Prépa, Chimie des matériaux
• Durupthy