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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

  1. Équilibrer une demi-équation : Conservation des éléments, puis des charges avec $e^-$.
  2. Schématiser une pile : Notation conventionnelle : $(-) M_1 | M_1^{n+} || M_2^{m+} | M_2 (+)$.
  3. 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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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 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 ?
  1. Regarde la polarité donnée dans l'énoncé (souvent le signe $+$ ou $-$ est indiqué).
  2. Si ce n'est pas précisé, compare les potentiels standards $E^0$ : le métal ayant le potentiel le plus élevé est la cathode.
  3. 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 ?
  1. Elle permet de fermer le circuit électrique en assurant le passage des ions.
  2. 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 ?
  1. Dans l'expression du quotient de réaction $Q_r$, on ne met que les espèces en solution aqueuse (ions).
  2. 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 ?
  1. Calcule le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$.
  2. Compare $Q_{r,i}$ à la constante d'équilibre $K$ de la réaction.
  3. 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 ?
  1. Par convention, la f.é.m $E$ est définie comme $V_{cathode} - V_{anode}$.
  2. 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 ?
  1. Au fur et à mesure que la pile fonctionne, les réactifs sont consommés.
  2. Les concentrations changent, ce qui fait varier $Q_r$ vers $K$.
  3. 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 ?
  1. On place le pôle négatif (anode) à gauche.
  2. On utilise une double barre $||$ pour représenter le pont salin.
  3. 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 ?
  1. Non, le courant électrique (électrons) circule uniquement dans le circuit extérieur (fils métalliques).
  2. 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 ?
  1. Utilise la relation $Q = I \times \Delta t$.
  2. 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 ?
  1. Oui, la constante d'équilibre $K$ dépend de la température.
  2. 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 ?
  1. Le platine est un métal inerte, il ne réagit pas chimiquement.
  2. 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 ?
  1. Une pile est un système chimique spontané.
  2. 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 : $[Zn^{2+}]_i = [Cu^{2+}]_i = 0,1 mol.L^{-1}$. $K = 10^{37}$.

  1. Écrire l'équation bilan de la réaction.
  2. Calculer $Q_{r,i}$.
  3. 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.

  1. Calculer la quantité d'électricité $Q$ échangée.
  2. En déduire la quantité de matière d'électrons $n(e^-)$ ayant circulé. (Donnée : $F = 96500 C.mol^{-1}$)
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Exercice 3

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

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