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Piles électrochimiques et électrolyse – potentiels standard d’électrode

ChimieÉlectrochimie17–18 ansLaboratoire virtuel

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Mode pile : deux électrodes métalliques plongent dans les solutions de leurs propres sels, reliées par un fil et un pont salin ; les électrons circulent dans le fil de l’anode (le métal de plus bas E°, qui est oxydé et se dissout) vers la cathode (dont les ions sont réduits et se déposent), et le voltmètre affiche la force électromotrice standard E°pile = E°(+) − E°(−) d’après le tableau des potentiels standard. Mode électrolyse : un générateur de courant continu envoie les électrons vers la cathode ; les ions migrent vers les électrodes et produisent Cu, H₂, O₂, Cl₂ ou Na selon la solution, et la masse de produit suit m = M·I·t/(n·F). La vue ΔG, K et Nernst ajoute ΔG° = −nFE°pile et K = e^(nFE°/RT) pour chaque pile, des curseurs de concentration pour les deux demi-piles afin que E suive l’équation de Nernst, un graphique de E en fonction de log Q et une pile de concentration Cu–Cu. L’onglet Tension de décomposition balaie la tension de 0 à 4 V, enregistre la courbe courant–tension, ajuste une droite pour trouver la tension de décomposition et la compare à la valeur théorique tirée de E° ; la surtension change avec l’électrode (platine, graphite) et le produit.

Leçon : Potentiels standard d’électrode, piles électrochimiques (pile Daniell) ; électrolyse des solutions et des sels fondus; équation de Nernst et ΔG° = −nFE° ; tension de décomposition et surtension

Ce qu’elle montre

Deux processus opposés sont présentés côte à côte. Dans une pile, une réaction d’oxydoréduction spontanée convertit l’énergie chimique en énergie électrique : le métal dont le potentiel standard d’électrode est le plus bas est oxydé, et la tension de la pile est la différence entre les deux valeurs de E°. La vue ΔG, K et Nernst relie E°pile à ΔG° = −nFE° et à la constante d’équilibre K, et montre comment E diminue quand le quotient de réaction Q augmente, jusqu’à zéro à l’équilibre. L’électrolyse fonctionne en sens inverse : elle utilise l’énergie électrique pour forcer une réaction non spontanée. L’onglet Tension de décomposition montre qu’il ne passe presque aucun courant tant que la tension n’a pas dépassé la valeur théorique plus la surtension, grande pour O₂ et pour H₂ sur graphite, faible pour les métaux déposés et Cl₂.

Mode d’emploi

En mode Pile, parcourez les options de Couple d’électrodes et demandez aux élèves de prévoir la valeur lue sur le voltmètre à partir des E°. Cliquez sur ΔG, K et Nernst, déplacez les deux curseurs de concentration, cliquez plusieurs fois sur Noter le point et vérifiez que les points sont alignés sur une droite de pente −0,0592/n ; essayez ensuite la pile de concentration Cu–Cu. Cliquez sur Passer à l’électrolyse, essayez chaque Électrolyte et modifiez l’Intensité du courant pour comparer la masse de produit. Dans l’onglet Tension de décomposition, choisissez une solution et une électrode, cliquez sur Balayer 0–4 V puis sur Ajuster la droite, et comparez la valeur mesurée à la valeur théorique.

Paramètres modifiables

  • Mode Pile, Électrolyse, Tension de décomposition
  • Couple d’électrodes (pile) Zn–Cu, Mg–Cu, Fe–Cu, Zn–Ag, Cu–Ag, Zn–Fe, Al–Cu, Cu–Cu (pile de concentration)
  • Électrolyte (électrolyse) Solution de CuSO₄, électrodes inertes, Solution de CuSO₄, anode en Cu (affinage/dépôt), Solution de NaCl, avec diaphragme, NaCl fondu
  • Intensité du courant 0,5–5 A
  • Vitesse d’animation 0,5–3 ×
  • Vue de la pile Pile standard (E°), ΔG, K et équation de Nernst
  • Concentration de l’ion métallique, demi-pile gauche (Nernst) 0,0001–2 mol/L
  • Concentration de l’ion métallique, demi-pile droite (Nernst) 0,0001–2 mol/L
  • Solution (tension de décomposition) HCl 1 mol/L, H₂SO₄, [H⁺] = 1 mol/L, CuSO₄ 1 mol/L, [H⁺] = 1 mol/L, ZnCl₂ 1 mol/L
  • Électrode (tension de décomposition) Platine, Graphite
  • Tension appliquée 0–4 V

Questions à explorer

  1. Quel couple d’électrodes donne la plus grande tension de pile, et comment le prévoir à partir des potentiels standard d’électrode ?
  2. À l’électrode négative d’une pile, se produit-il une oxydation ou une réduction, et que devient sa masse ?
  3. Pourquoi obtient-on du sodium par électrolyse de NaCl fondu, mais pas par électrolyse d’une solution de NaCl ?
  4. Pour H₂SO₄ sur platine, de combien la tension de décomposition mesurée dépasse-t-elle la valeur théorique, et que change le graphite ?

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