Chimie · Écoles d'ingénieurs — EHTP

Oxydoréduction et piles électrochimiques

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Définition : Une réaction d'oxydoréduction est un transfert d'électrons entre un réducteur et un oxydant.
Pile Daniell : Constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin.
Polarité : L'anode (pôle -) est le siège de l'oxydation : $Red_1 \rightarrow Ox_1 + n e^-$ . La cathode (pôle +) est le siège de la réduction : $Ox_2 + n e^- \rightarrow Red_2$ .
Force électromotrice (f.é.m) : $E = V_+ - V_- = E_{cathode} - E_{anode}$ .
Équation de Nernst : Pour un couple $Ox/Red$ , $E = E^0(Ox/Red) + \frac{0,059}{n} \log \frac{[Ox]}{[Red]}$ (à 25°C).
Critère d'évolution : Si $Q_{r,i} < K$ , le système évolue dans le sens direct.

Méthodes à maîtriser

Équilibrer une demi-équation redox en milieu acide.
Schématiser une pile avec la notation conventionnelle : $(-)\; M_1 | M_1^{n+} || M_2^{p+} | M_2 \;(+)$ .
Calculer la f.é.m d'une pile à partir des potentiels de Nernst.
Déterminer le sens de passage du courant (du + vers le - à l'extérieur).

Exemples corrigés

Calcul de f.é.m : Soit une pile $Zn/Zn^{2+} // Cu^{2+}/Cu$ . $E = E^0(Cu^{2+}/Cu) - E^0(Zn^{2+}/Zn) + \frac{0,059}{2} \log \frac{[Cu^{2+}]}{[Zn^{2+}]}$ .
Sens d'évolution : Comparer $Q_{r,i}$ à $K$ . Si $Q_{r,i} < K$ , la réaction spontanée est celle qui consomme les réactifs.

Erreurs fréquentes

Inverser les pôles (+ et -) de la pile.
Oublier le pont salin dans le schéma.
Utiliser les concentrations molaires sans vérifier si le solide est pur (activité = 1).
Confusion entre le sens des électrons (vers le +) et le sens du courant (vers le -).

L'essentiel du cours

Définition : Une réaction d'oxydoréduction est un transfert d'électrons entre un réducteur et un oxydant.
Pile Daniell : Constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin.
Polarité : L'anode (pôle -) est le siège de l'oxydation : $Red_1 \rightarrow Ox_1 + n e^-$. La cathode (pôle +) est le siège de la réduction : $Ox_2 + n e^- \rightarrow Red_2$.
Force électromotrice (f.é.m) : $E = V_+ - V_- = E_{cathode} - E_{anode}$.
Équation de Nernst : Pour un couple $Ox/Red$, $E = E^0(Ox/Red) + \frac{0,059}{n} \log \frac{[Ox]}{[Red]}$ (à 25°C).
Critère d'évolution : Si $Q_{r,i} < K$, le système évolue dans le sens direct.

Méthodes à maîtriser

Équilibrer une demi-équation redox en milieu acide.
Schématiser une pile avec la notation conventionnelle : $(-); M_1 | M_1^{n+} || M_2^{p+} | M_2 ;(+)$.
Calculer la f.é.m d'une pile à partir des potentiels de Nernst.
Déterminer le sens de passage du courant (du + vers le - à l'extérieur).

Exemples corrigés

Calcul de f.é.m : Soit une pile $Zn/Zn^{2+} // Cu^{2+}/Cu$. $E = E^0(Cu^{2+}/Cu) - E^0(Zn^{2+}/Zn) + \frac{0,059}{2} \log \frac{[Cu^{2+}]}{[Zn^{2+}]}$.
Sens d'évolution : Comparer $Q_{r,i}$ à $K$. Si $Q_{r,i} < K$, la réaction spontanée est celle qui consomme les réactifs.

Erreurs fréquentes

Inverser les pôles (+ et -) de la pile.
Oublier le pont salin dans le schéma.
Utiliser les concentrations molaires sans vérifier si le solide est pur (activité = 1).
Confusion entre le sens des électrons (vers le +) et le sens du courant (vers le -).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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🎯 Oxydoréduction et piles électrochimiques

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Dans une pile, le courant électrique circule :

❓ Questions fréquentes

Kifach n3ref chkoun li anode o chkoun li cathode f'pile?

Regarde les potentiels standards ( $E^0$ ) des deux couples.
Le couple qui a le potentiel le plus élevé est la cathode (pôle +).
Le couple qui a le potentiel le plus faible est l'anode (pôle -).

💡 À retenir : L'anode subit l'oxydation, la cathode subit la réduction.

Regarde les potentiels standards ($E^0$) des deux couples.
Le couple qui a le potentiel le plus élevé est la cathode (pôle +).
Le couple qui a le potentiel le plus faible est l'anode (pôle -).

💡 À retenir : L'anode subit l'oxydation, la cathode subit la réduction.

Chno hiya l'fayda dyal l'qantra ayoniya (pont salin)?

Elle assure la fermeture du circuit électrique.
Elle permet le passage des ions pour maintenir l'électroneutralité des solutions dans chaque demi-pile.

💡 À retenir : Sans pont salin, le courant ne circule pas.

Kifach n7seb l'f.é.m dyal l'pile f'7ala machi standard?

Calcule le potentiel de chaque électrode en utilisant la relation de Nernst.
Applique la formule $E = E_{cathode} - E_{anode}$ .
N'oublie pas de convertir la température en Kelvin si nécessaire (généralement 298K).

💡 À retenir : La f.é.m dépend des concentrations des espèces dissoutes.

Calcule le potentiel de chaque électrode en utilisant la relation de Nernst.
Applique la formule $E = E_{cathode} - E_{anode}$.
N'oublie pas de convertir la température en Kelvin si nécessaire (généralement 298K).

💡 À retenir : La f.é.m dépend des concentrations des espèces dissoutes.

Pourquoi le courant circule-t-il de la cathode vers l'anode à l'extérieur ?

Par convention, le sens du courant électrique est opposé au sens de déplacement des électrons (qui vont de l'anode vers la cathode).

💡 À retenir : Le courant sort par le pôle positif (cathode).

Est-ce que la constante d'équilibre K dépend de la température ?

Oui, la constante d'équilibre $K$ dépend de la température selon la relation thermodynamique $\Delta_rG^0 = -RT \ln K$ .

💡 À retenir : $K$ est une constante pour une température donnée.

Oui, la constante d'équilibre $K$ dépend de la température selon la relation thermodynamique $\Delta_rG^0 = -RT \ln K$.

💡 À retenir : $K$ est une constante pour une température donnée.

Comment équilibrer une équation redox en milieu acide ?

Équilibrer les atomes autres que O et H.
Équilibrer les O avec $H_2O$ .
Équilibrer les H avec $H^+$ .
Équilibrer les charges avec des électrons $e^-$ .

💡 À retenir : Toujours vérifier la conservation de la charge totale.

Équilibrer les atomes autres que O et H.
Équilibrer les O avec $H_2O$.
Équilibrer les H avec $H^+$.
Équilibrer les charges avec des électrons $e^-$.

💡 À retenir : Toujours vérifier la conservation de la charge totale.

Que signifie Qr = K ?

Cela signifie que le système est à l'état d'équilibre chimique. Il n'y a plus d'évolution macroscopique.

💡 À retenir : La f.é.m de la pile est alors nulle ( $E = 0$ ).

Cela signifie que le système est à l'état d'équilibre chimique. Il n'y a plus d'évolution macroscopique.

💡 À retenir : La f.é.m de la pile est alors nulle ($E = 0$).

Est-ce que le pont salin s'use ?

Oui, les ions du pont salin migrent vers les demi-piles pour compenser l'accumulation de charges, ce qui finit par épuiser les électrolytes du pont.

💡 À retenir : Une pile finit par s'arrêter quand l'équilibre est atteint.

Pourquoi utilise-t-on des électrodes de platine ?

On utilise le platine (Pt) comme électrode inerte lorsqu'un couple redox ne contient pas de métal solide (ex: $Fe^{3+}/Fe^{2+}$ ).

💡 À retenir : Le platine conduit les électrons sans participer à la réaction.

On utilise le platine (Pt) comme électrode inerte lorsqu'un couple redox ne contient pas de métal solide (ex: $Fe^{3+}/Fe^{2+}$).

💡 À retenir : Le platine conduit les électrons sans participer à la réaction.

Comment savoir si une réaction est spontanée ?

Une réaction est spontanée si le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$ est inférieur à la constante d'équilibre $K$ .

💡 À retenir : Le système évolue toujours vers l'état d'équilibre.

Une réaction est spontanée si le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$ est inférieur à la constante d'équilibre $K$.

💡 À retenir : Le système évolue toujours vers l'état d'équilibre.

Quelle est la différence entre pile et électrolyse ?

La pile convertit l'énergie chimique en électrique (spontanée), tandis que l'électrolyse utilise l'énergie électrique pour forcer une réaction chimique (non spontanée).

💡 À retenir : Dans une pile, $E > 0$ .

La pile convertit l'énergie chimique en électrique (spontanée), tandis que l'électrolyse utilise l'énergie électrique pour forcer une réaction chimique (non spontanée).

💡 À retenir : Dans une pile, $E > 0$.

Est-ce que la masse des électrodes change ?

Oui, à l'anode (oxydation), le métal se dissout (masse diminue). À la cathode (réduction), des ions se déposent sous forme solide (masse augmente).

💡 À retenir : La variation de masse est proportionnelle à la quantité d'électricité.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On considère une pile constituée d'une électrode de Zinc plongeant dans une solution de sulfate de zinc ( $Zn^{2+} + SO_4^{2-}$ ) et d'une électrode de Cuivre dans une solution de sulfate de cuivre ( $Cu^{2+} + SO_4^{2-}$ ). Données : $E^0(Cu^{2+}/Cu) = 0,34 V$ ; $E^0(Zn^{2+}/Zn) = -0,76 V$ .

Écrire les demi-équations aux électrodes.
Donner le schéma conventionnel de la pile.
Calculer la f.é.m initiale si $[Zn^{2+}] = 0,1 mol/L$ et $[Cu^{2+}] = 0,1 mol/L$ .

Exercice 1

On considère une pile constituée d'une électrode de Zinc plongeant dans une solution de sulfate de zinc ($Zn^{2+} + SO_4^{2-}$) et d'une électrode de Cuivre dans une solution de sulfate de cuivre ($Cu^{2+} + SO_4^{2-}$). Données : $E^0(Cu^{2+}/Cu) = 0,34 V$ ; $E^0(Zn^{2+}/Zn) = -0,76 V$.

Écrire les demi-équations aux électrodes.
Donner le schéma conventionnel de la pile.
Calculer la f.é.m initiale si $[Zn^{2+}] = 0,1 mol/L$ et $[Cu^{2+}] = 0,1 mol/L$.

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Exercice 2

Une pile fonctionne avec le couple $Fe^{2+}/Fe$ et $Ag^+/Ag$ .

Écrire l'équation bilan de fonctionnement.
Si la pile débite un courant $I = 0,1 A$ pendant 1 heure, quelle est la masse de fer consommée ? Données : $M(Fe) = 55,8 g/mol$ ; $F = 96500 C/mol$ .

Exercice 2

Une pile fonctionne avec le couple $Fe^{2+}/Fe$ et $Ag^+/Ag$.

Écrire l'équation bilan de fonctionnement.
Si la pile débite un courant $I = 0,1 A$ pendant 1 heure, quelle est la masse de fer consommée ? Données : $M(Fe) = 55,8 g/mol$ ; $F = 96500 C/mol$.

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Exercice 3

Soit une pile dont la f.é.m est $E = 0,5 V$ . On ajoute de l'eau distillée dans la demi-pile cathodique. Comment varie la f.é.m ?

Exercice 3

Soit une pile dont la f.é.m est $E = 0,5 V$. On ajoute de l'eau distillée dans la demi-pile cathodique. Comment varie la f.é.m ?

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