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DUT Chimie 2° année Module : 42S03, Electrochimie 0 Année 2019-2020 Cours d’Ele

DUT Chimie 2° année Module : 42S03, Electrochimie 0 Année 2019-2020 Cours d’Electrochimie DUT Chimie 2° année Module : 42S03, Electrochimie 1 Contenu Chap I : Introduction et notions de Base .................................................................................................................... 3 1 Etymologie ..................................................................................................................................................................... 3 2 Définitions ..................................................................................................................................................................... 3 2.1 L’électrochimie .................................................................................................................................................. 3 2.2 Réaction électrochimique ............................................................................................................................. 3 2.3 L’électrode ........................................................................................................................................................... 3 3 Intérêts et contraintes .............................................................................................................................................. 4 4 Les différents type de systèmes électrochimiques ...................................................................................... 4 5 Les applications industrielles de l’électrochimie ......................................................................................... 5 5.1 L’Electrosynthèse ............................................................................................................................................. 5 5.2 Les traitements de surface ........................................................................................................................... 6 5.3 Stockage et conversion de l’énergie ......................................................................................................... 6 5.4 Analyse et mesure ............................................................................................................................................ 6 5.5 La corrosion ........................................................................................................................................................ 6 5.6 L’environnement ............................................................................................................................................... 7 Chap II : Oxydoréduction .................................................................................................................................................. 8 1 Illustration du phénomène ..................................................................................................................................... 8 1.1 Exemple 1 ............................................................................................................................................................. 8 1.2 Exemple 2 ............................................................................................................................................................. 8 2 Notions d’oxydant et de réducteur ..................................................................................................................... 9 2.1 Définitions............................................................................................................................................................ 9 2.2 Couple oxydant / réducteur ou couple rédox. ..................................................................................... 9 Définition .................................................................................................................................................... 9 Formalisme ............................................................................................................................................. 10 Condition de l’échange électronique ........................................................................................... 10 Exemples .................................................................................................................................................. 10 2.3 Prévision du caractère oxydant /réducteur d’une espèce chimique ...................................... 10 Le nombre d’oxydation ..................................................................................................................... 11 Détermination du nombre d’oxydation ..................................................................................... 11 Equilibrer les demi-équations redox........................................................................................... 12 2.4 Notion de potentiel d’un couple Ox/Red (potentiel Redox) ....................................................... 13 Définition E Ox/Red .................................................................................................................................. 13 Électrode standard à hydrogène ................................................................................................... 13 Mesure du potentiel d’un couple Ox/Red ................................................................................. 14 DUT Chimie 2° année Module : 42S03, Electrochimie 2 Potentiel standard et état standard ............................................................................................. 14 Echelle des potentiels standard ..................................................................................................... 15 Relation entre enthalpie libre et potentiel d’oxydo-réduction ........................................ 16 3 La réaction d’oxydoréduction ............................................................................................................................ 17 3.1 Ecriture de l’équation d’une réaction d’oxydoréduction ............................................................. 17 3.2 Prévision du sens d’une réaction d’oxydoréduction ...................................................................... 17 Origine de la règle du gamma ......................................................................................................... 17 Prévision des réactions dans les conditions standard......................................................... 19 3.3 Calcul de la constante d’équilibre de la réaction ............................................................................. 19 3.4 Détermination d'un potentiel standard inconnu ............................................................................. 20 DUT Chimie 2° année Module : 42S03, Electrochimie 3 Chap I : Introduction et notions de Base 1 Etymologie Le mot électrochimie est bien sûr issu des mots chimie et électricité. Il désigne une science (sous partie de la chimie) qui fait l’objet de recherches et développements spécifiques et qui donne lieu à d’importantes nombreuses applications industrielles. Peu de chimistes se sentent aussi électrochimistes ! Probablement car ce domaine est un peu à la frontière de la physique et de la chimie. 2 Définitions 2.1 L’électrochimie C’est la science qui décrit les transformations de la matière à l’échelle atomique par déplacement contrôlable de charges électriques (transfert d’électrons). Il s’agit donc d’étudier et de contrôler des réactions électrochimiques de type : aOx + ne- D bRed grâce à des moyens électriques (contrôle du courant ou du potentiel d’électrode) 2.2 Réaction électrochimique La réaction électrochimique : est une réaction hétérogène de transfert de charges qui se produit à la surface de contact (interface) entre deux conducteurs dont le mode de conduction est souvent différent (électronique / ionique). Cette réaction met en jeu des molécules, des atomes neutres, des ions et des électrons. Elle correspond à une modification de l’énergie chimique et électrique d’une espèce qui passe d’un conducteur à l’autre. Rappel : Un conducteur électrique est un corps au sein duquel des particules chargées sont susceptible de se déplacer sous l’effet d’un champ électrique. • Le conducteur est dit électronique lorsque les particules sont des électrons • Le conducteur est dit ionique lorsque les particules sont des ions • Si les ions et les électrons peuvent simultanément se déplacer dans un même conducteur, il est dit mixte 2.3 L’électrode L’électrode : C’est un système diphasé (hétérogène) formé de l’association d’un conducteur électronique (métal, composé métallique, ou semi-conducteur) au contact d’un conducteur ionique appelé électrolyte (sel dissous dans un solvant aqueux ou organique, oxyde ou polymère conducteur ionique) DUT Chimie 2° année Module : 42S03, Electrochimie 4 La surface de contact entre les deux conducteurs est appelée interface. C’est à l’interface que se produit la réaction électrochimique : aOx + ne- D bRed Remarque : • Ox et Red peuvent être à l’état moléculaire, atomique ou ionique, en phase liquide solide ou gazeuse • L’électrolyte peut être liquide (solution ionique ou sels fondus) ou solide (polymère ou oxyde conducteur ionique) 3 Intérêts et contraintes Comparé à la chimie, l’intérêt de l’électrochimie réside dans le fait qu’on a des degrés de liberté supplémentaires (le courant I et le potentiel E que l’on applique à l’électrode) pour contrôler la réaction. En régulant le courant (flux d’électron), on va pouvoir : • Modifier le sens de la réaction (I positif ou négatif) • Faire varier la vitesse de la réaction (Amplitude de I) • Favoriser la sélectivité d’une réaction (Amplitude I et E) De fait cette science nécessite des dispositifs physiques spécifiques : Electrodes, générateur de courant et tension, électrode de références, potentiostat… Les réalisations expérimentales sont plus lourdes à mettre en place et plus chères si on ne dispose pas du matériel. 4 Les différents type de systèmes électrochimiques Un système électrochimique est un système physique formé de l’association de plusieurs conducteurs électroniques et d’un conducteur ionique. Le système le plus simple est l’électrode elle-même (Ex : un métal dans une solution conductrice) qui peut être étudié de façon autonome. Les systèmes avec transfert d’énergie électrique qui mettent en jeux un échange d’énergie électrique avec l’extérieur (système à deux électrodes) • Avec production d’énergie électrique. Il y a conversion d’énergie chimique en énergie électrique : générateur électrochimique (pile, accumulateur, batterie) Pôle ⊕ Ox1 + n1e-"Red1 Exemple : piles et batteries Pôle ⊝ Red2" Ox2+ n2e- Métal (solide) Electrolyte e- Interface Ox Red ⊕ ⊕ ⊝ ⊕ ⊕ ⊕ ⊝ ⊝ ⊝ ⊝ e - I DUT Chimie 2° année Module : 42S03, Electrochimie 5 • Avec consommation d’énergie électrique. Il y a conversion d’énergie électrique en énergie chimique : Pôle ⊕ Red1" Ox1 + n1e- Exemples : électrosynthèse, électrolyse Pôle ⊝ Ox2+ n2e- " Red2 Les systèmes sans transfert d’énergie électrique (système à l’abandon I =0) • Toute électrode à l’équilibre (I =0, Ox et Red présents) Ox + ne- D Red Exemples : Capteurs potentiométriques : électrodes de référence, de pH • Les systèmes qui évoluent spontanément avec transferts d’électrons interne de sorte que le bilan réactionnel est purement chimique (système avec ou sans électrode !) Ox1 + Red2"Red1 + Ox2 Exemples : réactions d’oxydoréduction, corrosion 5 Les applications industrielles de l’électrochimie On peut proposer un classement des différentes applications industrielles de l’électrochimie en 6 grandes catégories : 5.1 L’Electrosynthèse L’électrosynthèse est un procédé couramment utilisé dans l’industrie chimique lourde car il permet selon le matériau produit un meilleur rendement énergétique que les procédés de synthèse chimiques ou thermiques. En outre ce sont des procédés souvent plus facilement contrôlables. A l’heure actuelle les matériaux produits à l’échelle industrielle par électrosynthèse sont : - L’aluminium (procédé Hall-Héroult : électrolyse de l’alumine en aluminium). L’aluminium est un produit courant de notre société (construction, habitat, industrie agroalimentaire …) Production mondiale annuelle : 22,6 Mtonnes - Le chlore (procédé chlore/soude. Ex : Solvay à Tavaux). Le chlore sert de matière première dans l’élaboration d’un grand nombre de produit finis tels que les polymères (PVC …), les solvants organiques, les détergents, …. Production annuelle mondiale : 44 Mtonnes - Le fluor, le sodium, le magnésium, le lithium (électrosynthèse en milieu sels fondus) - le dihydogène de haute pureté est produit par électrolyse de l’eau - Bon nombre de produits organiques et minéraux pour l’industrie pharmaceutique (eau oxygénée…), ou chimique sont produits par électrosynthèse organique - Certain métaux (Cu, Zn …) sont purifiés par électroraffinage. I DUT Chimie 2° année Module : 42S03, Electrochimie 6 5.2 Les traitements de surface Les traitements de surface électrochimiques (galvanoplastie…) consistent à déposer une couche de métal sur un substrat conducteur (métallique ou polymère) pour en modifier les propriétés de surface. Par une bonne maîtrise des conditions expérimentales (courant, tension, solution, ajouts de produits surfactant..), on peut contrôler la nature du dépôt mais aussi ses propriétés physico-chimiques et esthétiques (nature, phase, porosité, brillance..). Les applications de l’industrie des traitements de surface sont variées : - Electropolissage, - Electroformage, - Galvanoplastie : o Electrozingage de l’acier (protection anti-corrosion), nickelage, passivation métallisation décorative (dorage, cuivrage…) 5.3 Stockage et conversion de l’énergie Les générateurs électrochimiques (batteries ou accumulateurs et piles) jouent un rôle primordial dans notre société. Les applications de faible puissance (pile saline, alcaline, pile au lithium…) sont en très forte croissance pour toutes les utilisations dans les appareils électroniques portables ou dans le domaine médical. A l’échelle individuelle, on utilise des générateurs de plus forte puissance notamment pour le transport (batterie plomb, Ni/Cd, pile à combustible pour les véhicules électriques…). Enfin, il existe des générateurs de très forte puissance par exemple pour la modulation de consommation d’électricité ou l’alimentation en énergie de site isolés (PAC,…). 5.4 Analyse et mesure Les capteurs électrochimiques dont le plus ancien est l’électrode à pH se développent de plus en plus et voient donc leur prix chuter. Le plus utilisé aujourd’hui est le capteur uploads/Finance/ cours-electrochimie-mld-2019-20-chapitre-i-ii.pdf