Chimie · Écoles d'ingénieurs — FST — MIP / MIPC / BCG

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 oxydant et un réducteur.
Couple Redox : Noté $Ox/Red$ , lié par la demi-équation : $Ox + n e^- \rightleftharpoons Red$ .
La Pile : Système convertissant l'énergie chimique en énergie électrique via deux demi-piles reliées par un pont salin.
Polarité :
- Anode ( $-$ ) : lieu de l'oxydation ( $Red \rightarrow Ox + n e^-$ ).
- Cathode ( $+$ ) : lieu de la réduction ( $Ox + n e^- \rightarrow Red$ ).
Force Électromotrice (f.é.m) : $E = V_+ - V_-$ .
Critère d'évolution : Le sens spontané dépend de la comparaison entre $Q_{r,i}$ et $K$ .

Méthodes à maîtriser

Équilibrer une demi-équation : Conservation des éléments, puis des charges avec $e^-$ .
Schématiser une pile : Notation conventionnelle : $(-) M_1 | M_1^{n+} || M_2^{m+} | M_2 (+)$ .
Calculer $Q_r$ : $Q_r = \frac{[Ox_2]^{a}}{[Red_1]^{b}}$ (ne pas oublier les coefficients stoechiométriques).

Exemples corrigés

Exemple : Pile Daniell ( $Zn/Cu$ $Z n / C u$ ).
- Anode : $Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^-$ .
- Cathode : $Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s)$ .
- Bilan : $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$ .

Erreurs fréquentes

Inverser les pôles de la pile.
Oublier que les solides ne figurent pas dans l'expression de $Q_r$ .
Confondre le sens du courant (de $+$ vers $-$ ) et le sens des électrons (de $-$ vers $+$ ).

L'essentiel du cours

Définition : Une réaction d'oxydoréduction est un transfert d'électrons entre un oxydant et un réducteur.
Couple Redox : Noté $Ox/Red$, lié par la demi-équation : $Ox + n e^- \rightleftharpoons Red$.
La Pile : Système convertissant l'énergie chimique en énergie électrique via deux demi-piles reliées par un pont salin.
Polarité :
- Anode ($-$) : lieu de l'oxydation ($Red \rightarrow Ox + n e^-$).
- Cathode ($+$) : lieu de la réduction ($Ox + n e^- \rightarrow Red$).
Force Électromotrice (f.é.m) : $E = V_+ - V_-$.
Critère d'évolution : Le sens spontané dépend de la comparaison entre $Q_{r,i}$ et $K$.

Méthodes à maîtriser

Équilibrer une demi-équation : Conservation des éléments, puis des charges avec $e^-$.
Schématiser une pile : Notation conventionnelle : $(-) M_1 | M_1^{n+} || M_2^{m+} | M_2 (+)$.
Calculer $Q_r$ : $Q_r = \frac{[Ox_2]^{a}}{[Red_1]^{b}}$ (ne pas oublier les coefficients stoechiométriques).

Exemples corrigés

Exemple : Pile Daniell ($Zn/Cu$).
- Anode : $Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^-$.
- Cathode : $Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s)$.
- Bilan : $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$.

Erreurs fréquentes

Inverser les pôles de la pile.
Oublier que les solides ne figurent pas dans l'expression de $Q_r$.
Confondre le sens du courant (de $+$ vers $-$) et le sens des électrons (de $-$ vers $+$).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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🎯 Oxydoréduction et piles électrochimiques

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Dans une pile, l'anode est le siège de :

❓ Questions fréquentes

Kifach n3ref chkoun li anode w chkoun li cathode f pile ?

Regarde la polarité donnée dans l'énoncé (souvent le signe $+$ ou $-$ est indiqué).
Si ce n'est pas précisé, compare les potentiels standards $E^0$ : le métal ayant le potentiel le plus élevé est la cathode.
Rappelle-toi : Anode = Oxydation (perte d'électrons), Cathode = Réduction (gain d'électrons).

💡 À retenir : L'anode est toujours le pôle négatif et la cathode le pôle positif.

Regarde la polarité donnée dans l'énoncé (souvent le signe $+$ ou $-$ est indiqué).
Si ce n'est pas précisé, compare les potentiels standards $E^0$ : le métal ayant le potentiel le plus élevé est la cathode.
Rappelle-toi : Anode = Oxydation (perte d'électrons), Cathode = Réduction (gain d'électrons).

💡 À retenir : L'anode est toujours le pôle négatif et la cathode le pôle positif.

Chno hiya l'fayda dial l'qantara ionique ?

Elle permet de fermer le circuit électrique en assurant le passage des ions.
Elle maintient l'électroneutralité des solutions dans chaque demi-pile en compensant l'excès de charges créées par la réaction.

💡 À retenir : Sans pont salin, la réaction s'arrête instantanément car les solutions ne sont plus neutres.

Kifach n7seb Qr ila kan 3ndi des solides f l'equation ?

Dans l'expression du quotient de réaction $Q_r$ , on ne met que les espèces en solution aqueuse (ions).
Les solides (métaux) ont une activité égale à 1, donc ils n'apparaissent pas dans le calcul.

💡 À retenir : $Q_r$ ne dépend que des concentrations des espèces dissoutes.

Dans l'expression du quotient de réaction $Q_r$, on ne met que les espèces en solution aqueuse (ions).
Les solides (métaux) ont une activité égale à 1, donc ils n'apparaissent pas dans le calcul.

💡 À retenir : $Q_r$ ne dépend que des concentrations des espèces dissoutes.

Comment déterminer le sens spontané d'évolution d'une pile ?

Calcule le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$ .
Compare $Q_{r,i}$ à la constante d'équilibre $K$ de la réaction.
Si $Q_{r,i} < K$ , la réaction évolue dans le sens direct.

💡 À retenir : Le système évolue toujours pour atteindre l'équilibre ( $Q_r = K$ ).

Calcule le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$.
Compare $Q_{r,i}$ à la constante d'équilibre $K$ de la réaction.
Si $Q_{r,i} < K$, la réaction évolue dans le sens direct.

💡 À retenir : Le système évolue toujours pour atteindre l'équilibre ($Q_r = K$).

Est-ce que la f.é.m d'une pile est toujours positive ?

Par convention, la f.é.m $E$ est définie comme $V_{cathode} - V_{anode}$ .
Comme la cathode est le pôle positif, $E$ est toujours positive pour une pile qui débite.

💡 À retenir : Une f.é.m négative signifie que la pile est branchée à l'envers ou qu'elle est déchargée.

Par convention, la f.é.m $E$ est définie comme $V_{cathode} - V_{anode}$.
Comme la cathode est le pôle positif, $E$ est toujours positive pour une pile qui débite.

💡 À retenir : Une f.é.m négative signifie que la pile est branchée à l'envers ou qu'elle est déchargée.

Pourquoi la tension d'une pile diminue-t-elle avec le temps ?

Au fur et à mesure que la pile fonctionne, les réactifs sont consommés.
Les concentrations changent, ce qui fait varier $Q_r$ vers $K$ .
À l'équilibre, $Q_r = K$ et la tension devient nulle.

💡 À retenir : Une pile "morte" est une pile dont le système a atteint l'équilibre chimique.

Au fur et à mesure que la pile fonctionne, les réactifs sont consommés.
Les concentrations changent, ce qui fait varier $Q_r$ vers $K$.
À l'équilibre, $Q_r = K$ et la tension devient nulle.

💡 À retenir : Une pile "morte" est une pile dont le système a atteint l'équilibre chimique.

Comment écrire la notation conventionnelle d'une pile ?

On place le pôle négatif (anode) à gauche.
On utilise une double barre $||$ pour représenter le pont salin.
On sépare les espèces d'une même demi-pile par une barre simple $|$ .

💡 À retenir : $(-) \text{Métal} | \text{Ion} || \text{Ion} | \text{Métal} (+)$ .

On place le pôle négatif (anode) à gauche.
On utilise une double barre $||$ pour représenter le pont salin.
On sépare les espèces d'une même demi-pile par une barre simple $|$.

💡 À retenir : $(-) \text{Métal} | \text{Ion} || \text{Ion} | \text{Métal} (+)$.

Est-ce que le courant électrique circule dans le pont salin ?

Non, le courant électrique (électrons) circule uniquement dans le circuit extérieur (fils métalliques).
Dans le pont salin, ce sont les ions qui se déplacent pour assurer le passage du courant.

💡 À retenir : Le pont salin assure le passage du courant ionique, pas électronique.

Comment calculer la quantité d'électricité débitée par une pile ?

Utilise la relation $Q = I \times \Delta t$ .
Utilise aussi la relation $Q = n(e^-) \times F$ , où $F$ est la constante de Faraday ( $96500 C.mol^{-1}$ ).

💡 À retenir : $n(e^-)$ est la quantité de matière d'électrons échangés selon la demi-équation.

Utilise la relation $Q = I \times \Delta t$.
Utilise aussi la relation $Q = n(e^-) \times F$, où $F$ est la constante de Faraday ($96500 C.mol^{-1}$).

💡 À retenir : $n(e^-)$ est la quantité de matière d'électrons échangés selon la demi-équation.

Est-ce que la température influence la f.é.m d'une pile ?

Oui, la constante d'équilibre $K$ dépend de la température.
La f.é.m dépend des concentrations et de $K$ , donc elle varie avec $T$ .

💡 À retenir : Une variation de température modifie l'état d'équilibre et donc la tension.

Oui, la constante d'équilibre $K$ dépend de la température.
La f.é.m dépend des concentrations et de $K$, donc elle varie avec $T$.

💡 À retenir : Une variation de température modifie l'état d'équilibre et donc la tension.

Pourquoi utilise-t-on souvent des électrodes de platine ?

Le platine est un métal inerte, il ne réagit pas chimiquement.
On l'utilise quand le couple redox ne contient pas de métal solide (ex: $Fe^{3+}/Fe^{2+}$ ).

💡 À retenir : L'électrode de platine sert uniquement de conducteur pour les électrons.

Le platine est un métal inerte, il ne réagit pas chimiquement.
On l'utilise quand le couple redox ne contient pas de métal solide (ex: $Fe^{3+}/Fe^{2+}$).

💡 À retenir : L'électrode de platine sert uniquement de conducteur pour les électrons.

Est-ce qu'on peut recharger une pile ?

Une pile est un système chimique spontané.
Pour la recharger, il faut forcer le courant dans le sens inverse (électrolyse).

💡 À retenir : Seuls les accumulateurs sont conçus pour être rechargés.

✍️ 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 plongeant dans une solution de sulfate de cuivre ( $Cu^{2+} + SO_4^{2-}$ ). Données : $[Zn^{2+}]_i = [Cu^{2+}]_i = 0,1 mol.L^{-1}$ . $K = 10^{37}$ .

Écrire l'équation bilan de la réaction.
Calculer $Q_{r,i}$ .
Déterminer le sens d'évolution spontanée.

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 plongeant dans une solution de sulfate de cuivre ($Cu^{2+} + SO_4^{2-}$). Données : $[Zn^{2+}]_i = [Cu^{2+}]_i = 0,1 mol.L^{-1}$. $K = 10^{37}$.

Écrire l'équation bilan de la réaction.
Calculer $Q_{r,i}$.
Déterminer le sens d'évolution spontanée.

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Une pile débite un courant d'intensité $I = 50 mA$ pendant une durée $\Delta t = 1$ heure.

Calculer la quantité d'électricité $Q$ échangée.
En déduire la quantité de matière d'électrons $n(e^-)$ ayant circulé. (Donnée : $F = 96500 C.mol^{-1}$ )

Exercice 2

Une pile débite un courant d'intensité $I = 50 mA$ pendant une durée $\Delta t = 1$ heure.

Calculer la quantité d'électricité $Q$ échangée.
En déduire la quantité de matière d'électrons $n(e^-)$ ayant circulé. (Donnée : $F = 96500 C.mol^{-1}$)

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 3

Soit une pile $Ni | Ni^{2+} || Ag^+ | Ag$ .

Donner les demi-équations aux électrodes.
Écrire l'équation bilan.
Si la pile est en circuit ouvert, la tension est $E = 1,05 V$ . Que représente cette valeur ?

Exercice 3

Soit une pile $Ni | Ni^{2+} || Ag^+ | Ag$.

Donner les demi-équations aux électrodes.
Écrire l'équation bilan.
Si la pile est en circuit ouvert, la tension est $E = 1,05 V$. Que représente cette valeur ?

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