Piles et oxydoréduction

I- Conversion et transport de l'énergie

1) Conversion d'énergie

Qu'ont en commun un moteur électrique, une bouilloire, une lampe ou un téléphone portable ?
Ce sont des convertisseurs d'énergie électrique :
- le moteur convertit l'Eélectrique en Emécanique,
- la bouilloire convertit l'Eélectrique en Ethermique,
- la lampe convertit l'Eélectrique en Elumineuse,
- le téléphone convertit l'Eélectrique en Eélectromagnétique (communication), en Elumineuse (écran) et en Emécanique (son, vibreur).

Voici ci-contre la façon dont on représente un convertisseur.

2) Pertes de conversion

Lorsque vous utilisez votre téléphone pendant un peu trop longtemps ou que vous l'avez mis en charge, vous pouvez constater qu'il a chauffé. Pourtant on ne désire pas produire de la chaleur à ce moment.
Ceci s'explique par le fait qu'il est presque impossible de réaliser une conversion d'énergie sans en perdre une partie sous forme de chaleur : un moteur chauffera toujours car des frottements mécaniques sont inévitables et un circuit électrique fera de même par effet joule car seuls les supra-conducteurs sont capables de conduire l'électricité sans aucune résistance et donc sans effet joule.
De plus les appareils ne sont pas toujours parfaits et d'autres types de pertes peuvent être présents.

On définit le rendement d'une conversion comme le rapport entre l'énergie utile et l'énergie fournie.

ρ=ΔEutileΔEfournie

ρ est sans unité.

Application :
L'électricité est acheminée sur de grandes distances via des lignes à 400kV. La résistance d'un câble d'une de ces lignes est de 0,5Ω.km-1. L'intensité du courant électrique qui la parcourt est de 50A.
1- Calculer l'énergie utile fournie par la ligne haute tension.
2- Calculer la résistance électrique de la ligne reliant la centrale nucléaire de Flamanville (Manche) à Laval (Mayenne) (270km).
3- Calculer les pertes de cette ligne par effet joule.
4- Calculer le rendement de cette ligne.
5- Il existe également des lignes de 60kV. En refaisant les questions 1 → 4, justifier l'emploi de ligne à 400kV pour les longues distances.

Pour aller plus loin : Les supraconducteurs au secours du transport d'électricité ?

3) Unités

Voici une facture d'électricité, on peut voir que la quantité d'énergie électrique consommée n'est pas exprimée en joules mais en kilowattheures (kW.h).
Par définition 1J = 1W.s donc 1W.h = 3600J et 1kW.h=3.6×106J.
Une consommation de 1095kW.h = 3,94×109J.

II- Piles et oxydoréduction

1) Expérience

Si l'on prend une solution de sulfate de cuivre (Cu2+, SO42-) et que l'on y plonge un clou en fer, on va très rapidement observer un dépôt orange de cuivre autour du clou.
Si l'on remplace le clou par de la poudre de fer, celle-ci prendra une teinte rougeâtre, mais surtout la coloration bleue de la solution disparaîtra.
Enfin, un ajout de quelques gouttes de soude dans le filtrat de la solution précédente fera apparaître un précipité vert foncé d'hydroxyde de fer (II)
(si besoin, voir la vidéo sur les tests caractéristiques des ions en 2nde).
Le fer métallique Fe se transforme en ion fer (II) Fe2+ tandis que l'inverse se produit pour les ions cuivre (II) Cu2+ qui se transforment en cuivre métallique Cu.
Il est donc possible d'écrire l'équation de réaction :

Cu2++Fe Cu + Fe2+

2) Demi-équations et couples rédox

L'expérience précédente montre que les ions Cu2+ sont capables de "voler" 2 électrons aux atomes de fer pour se transformer en atomes de cuivre.
Cu2+ et Cu forment ce qui s'appelle un couple oxydant/réducteur plus généralement appelé couple rédox, comme Fe2+ et Fe.
La demi-équation d'oxydoréduction permet de ne prendre en compte qu'un seul couple rédox mais surtout de faire apparaître les électrons e- non représentés dans les équations de transformation
Ici on peut écrire :

Cu2+ + 2e- = Cu et Fe2+ + 2e- = Fe

On remarque par rapport à la transformation chimique qu'on a vue jusqu'à présent que le signe est remplacé par le signe =.
En effet, en fonction des conditions, la réaction peut se faire dans un sens, ou dans l'autre.

Un couple oxydant/réducteur ou couple rédox est constitué de deux espèces chimiques que l'on peut obtenir par gain (l'oxydant) ou perte (le réducteur) d'un ou plusieurs électrons.

La demi-équation d'oxydoréduction qui est liée est de la forme :

Oxydant+ne-=Réducteur

On peut également en cas de besoin équilibrer la réaction avec des espèces présentes dans la solution, comme H2O, H+ (milieu acide) ou HO- (milieu basique)
Par exemple, le couple permanganate/ion manganèse MnO4-/Mn2+ est un couple souvent utilisé en chimie. Utilisé en solution aqueuse il fait intervenir également de l'eau H2O et des ions H+ :

MnO4- + 8H+ + 5e- = 4H2O + Mn2+

3) Les piles

Une réaction rédox fait donc intervenir un échange d'électrons entre 2 couples rédox, or les électrons sont les responsables du courant électrique dans les conducteurs métalliques et ne sont par ailleurs pas capables de circuler en solution aqueuse où seuls les ions circulent... serait-il possible de forcer les électrons à se déplacer à travers un circuit électrique avant d'atteindre l'oxydant ?
C'est le principe d'une pile, où les espèces censées réagir ensembles sont séparées dans des récipients différents.

Exemple de la pile Daniell
Cette pile a été créée en 1836 par John Daniell.
Pour "obliger" les électrons à circuler dans le circuit électrique, on sépare la pile en 2 parties : l'une contenant les espèces cuivre et l'autre contenant les espèces zinc. Un papier imbibé d'électrolyte (l'eau du robinet peu suffire, mais on utilise plutôt du nitrate de potassium K+,NO3-) permet le passage des ions.

Cette pile utilise la réaction
Cu2+ + Zn → Zn2+ + Cu.
Le zinc (métal) disparaît donc pour se transformer en ions Zn2+.
On dit que la pile « consomme » du zinc.

Lorsque la pile n’est pas branchée, les électrons ne peuvent pas circuler, la réaction n’a pas lieu.
C’est pourquoi une pile ne s’use pas quand on ne l’utilise pas.

Les lames de métal sont appelées des des électrodes.

Remarque : Sens commun et oxydoréduction
Il est assez courant d'entendre qu'il est possible de faire une pile avec une pomme de terre, un citron ou n'importe quel autre fruit. C'est l'affirmation développée dans la vidéo ci-dessous
Voici maintenant une expérience avec une demi-pomme et des lames de différents métaux :

On voit que ce qui fait la pile est le choix du métal et non le fruit qui se contente d'être une solution aqueuse dans laquelle les ions peuvent circuler.
D'ailleurs, on peut remplacer le fruit par un coton ou un mouchoir en papier humides !

3) Potentiel rédox


Potentiel rédox

Si on regarde les tensions mesurées dans la vidéo ci-dessus, on se rend compte que la tension mesurée entre 2 électrodes permet de classer les métaux :
- si la tension affichée est positive, c'est que le métal sur la borne rouge est le pôle + de la pile, sinon c'est l'inverse,
- la tension indique l'écart entre les 2 métaux.

borne + → Zinc Aluminium Cuivre Fer
Zinc 0,58 1,02 0,53
Aluminium -0,58 0,438 -0,05
Cuivre -1,02 -0,438 -0,485
Fer -0,53 +0,05 0,485
Ce classement en fonction du potentiel d'oxydoréduction d'un couple rédox permet de prévoir si une réaction peut avoir lieu ou non.
Une réaction d'oxydoréduction entre deux couples rédox ne peut avoir lieu qu'entre l'oxydant (membre de gauche) du couple rédox au plus fort potentiel et le réducteur (membre de droite) du couple rédox au plus faible potentiel.
Il est donc possible d'avoir les réactions Cu2++Fe → Cu + Fe2+ ou 2 Al3++3 Zn → 2 Al + 3 Zn2+
mais la réaction Zn2++Fe → Zn + Fe2+ est impossible dans des conditions normales.

4) Capacité d'une pile ou d'un accumulateur

a. Distinction pile / accumulateur

En théorie il est possible de forcer une réaction d'oxydoréduction en branchant un générateur avec une tension suffisamment élevée en sens inverse du fonctionnement normale. On peut donc imaginer "recharger" une pile Daniell en branchant un générateur d'une tension supérieure à 1,1 V avec le + branché sur l'électrode de zinc.
Malheureusement, il existe d'autres couples rédox dans la pile Daniell : la molécule H2O appartient à 2 couples rédox : O2/H2O et H2O/H2 Dans son fonctionnement normal, la pile Daniell ne mettra pas en oeuvre ces couples, mais en sens inverse vous risquez de réaliser une électrolyse de l'eau : Plutôt que de redéposer le zinc sur l'électrode, vous allez scinder les molécules d'eau en dioxygène d'une côté et dihydrogène de l'autre : ceci est sans danger dans le cas d'une pile expérimentale où les bécher sont ouverts, mais dans une pile commerciale fermée de façon étanche, la production de gaz risque tout simplement de faire exploser la pile !

Il n'est pas toujours possible d'inverser une équation d'oxydoréduction, de ce fait on distingue les dispositifs non rechargeables que l'on appellera piles des dispositifs prévus pour pouvoir inverser la réaction et donc rechargeables, dénommés accumulateurs.
Le terme "batterie" désignant des accumulateurs tels que ceux présents dans les téléphones et ordinateurs portables ou les véhicules est impropre.

Le terme "batterie" vient du fait que pour atteindre une tension suffisante, il est souvent nécessaire de mettre en série plusieurs accumulateurs les uns à la suite des autres, ce qui est la définition originelle de l'expression "mettre en batterie"

b. Relation courant / électricité

Dans un circuit électrique, la circulation d'un courant de 1A signifie que dans ce conducteur circule chaque seconde une charge électrique totale de 1C.

1 A = 1 C.s-1

Comme les particules responsables du transport de l'électricité dans un circuit électrique sont les électrons et que leur charge vaut qe = 1,6×10-19C, on trouve donc que

1A=11,6×10-19=6,25×1018 e-.s-1

Application :
Les constructeurs de smartphones récents essaient de diminuer le plus possible le temps nécessaire pour charger un téléphone.
Parmi les différentes technologies développées, le Quick Charge® de Qualcomm® permet d'atteindre une intensité de 3,8 A lorsque le chargeur (et aussi le câble, avec une telle intensité, un câble de mauvaise qualité pourrait prendre feu) et le téléphones sont compatibles.
Quelle quantité d'électrons circule chaque seconde dans le câble lorsque ce mode est enclenché ?

Previous page: Energies Next page: Oxydation des alcools