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Vidéo de la leçon : Potentiel d’une cellule électrochimique Chimie

Dans cette leçon, nous allons apprendre comment calculer le potentiel standard des cellules galvaniques en utilisant les valeurs de la série électrochimique.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à calculer le potentiel standard d’une cellule galvanique en utilisant les valeurs de la série électrochimique. Commençons par récapituler brièvement les cellules galvaniques et leur notation. Nous allons utiliser comme exemple une cellule de zinc-cuivre.

Une cellule galvanique ou voltaïque est un type de cellule électrochimique. Ce schéma montre sa configuration. Une réaction redox spontanée se produit, entraînant la transformation de l’énergie chimique en énergie électrique et la circulation de courant à travers le fil. L’oxydation se produit dans la demi-cellule de zinc. Les ions positifs de zinc doublement chargés sont libérés dans la solution par l’anode. Les électrons de valence de ces ions traversent le fil jusqu’à l’électrode de cuivre, la cathode. Ici, dans cette demi-cellule, une réduction a lieu. Les électrons entrant dans la cathode attirent les ions cuivre deux plus de la solution. Les ions de cuivre quittent la solution qui en est appauvrie et ils sont déposés sur cette électrode. Le circuit est complété par un pont de sel ou une membrane poreuse. La notation de cette cellule est Zn solide ; Zn2 + aqueux, molarité 1 ; Cu2 + aqueux, molarité 1 ; Cu solide.

Les informations sur l’anode sont notées sur le côté gauche et les informations sur la cathode sont notées sur le côté droit, la ligne double représentant le pont de sel entre les deux demi-cellules. Lorsque les concentrations de départ des solutions d’électrolyte sont d’une mole par dm cube ou de molarité 1 et que la pression atmosphérique est d’une atmosphère et que la température est de 25 degrés Celsius, nous sommes en présence d’une cellule standard. Les ions spectateurs, les ions sulfate dans ce cas, ne sont pas inclus dans la notation des cellules car ils ne participent pas à la réaction.

Maintenant, la raison pour laquelle la charge circule spontanément dans une cellule galvanique est l’existence d’une différence de potentiel entre les deux électrodes. Plus précisément, nous parlons du potentiel redox de chaque électrode. Dans cet exemple, l’électrode en cuivre est plus facilement réduite que l’électrode en zinc. Nous disons que le cuivre a un plus grand potentiel redox que le zinc, raison pour laquelle le cuivre est réduit et le zinc est oxydé. Les potentiels de réduction de divers métaux et autres substances ont été déterminés. Leurs valeurs sont répertoriées dans un tableau pratique appelé série électrochimique ou série de la force électromotrice. Voyons cela de plus près.

La série électrochimique est une liste assez longue, alors je n’ai montré que certaines parties. La réduction du lithium vers le haut de la liste, la réduction de fluor vers le bas, et cette section quelque part au milieu. Il y a d’autres équations que je n’ai pas pu mettre à l’écran. La série montre les potentiels d’électrodes des métaux et autres substances en volts. Ces valeurs des potentiels sont données pour des conditions standard. Encore une fois, ces conditions s’agissent d’une concentration d’une molaire des solutions d’électrolyte, d’ une pression d’une atmosphère et d’une température de 25 degrés Celsius.

Les substances sont classées par ordre croissant du potentiel. Les grandes valeurs négatives indiquent des agents réducteurs forts, donc le lithium métallique est un agent réducteur fort. Les grandes valeurs positives indiquent des agents réducteurs faibles, donc l’ion fluorure est un agent réducteur faible par rapport au lithium et, en fait, par rapport à toutes les substances au-dessus de lui dans le tableau. Nous avons la situation inverse sur le côté gauche du tableau. Les substances qui sont des oxydants forts sont en bas de la liste et les oxydants faibles en haut de la liste. Parfois, nous trouvons la série électrochimique écrite à l’envers avec un grand potentiel redox standard négatif en bas et les valeurs positives en haut. Cependant, la plupart du temps, nous le verrons écrit tel qu’il apparaît ici.

Avez-vous remarqué des tendances ? En montant dans la série, la capacité réductrice des substances croît, et en descendant, leurs capacités oxydantes croissent. Remarquez que tous les potentiels d’électrode sont écrits en tant que potentiels de réduction, raison pour laquelle toutes les demi-réactions sont écrites comme réductions avec les électrons du côté gauche des flèches. Il est important d’être cohérent de ce point de vue afin de pouvoir comparer les potentiels des électrodes. Nous ne pouvons pas comparer le potentiel redox standard d’un élément avec le potentiel d’oxydation standard d’un autre élément. Cela porte juste à confusion.

Ainsi, en science, par convention internationale, nous utilisons tous le même potentiel redox standard afin de nous comprendre. Remarquez que l’électrode standard à hydrogène a une valeur de 0,00 volt. Toutes les autres électrodes sont mesurées par rapport à cela afin que leurs valeurs aient un sens lorsque nous les comparons. Remarquez également que toutes les demi-réactions sont écrites avec des flèches d’équilibre. Le symbole du potentiel redox est 𝐸 majuscule, et un potentiel redox standard devrait avoir un symbole de Plimsoll en exposant. Un symbole de Plimsoll ressemble à un symbole de degré coupé par une ligne horizontale. Cependant, parfois, dans certaines sources, nous pouvons constater que la ligne horizontale manque du symbole de Plimsoll.

A quoi nous sert la série électrochimique ? Si nous connaissons les deux demi-cellules utilisées dans une cellule électrochimique, le tableau nous aidera à déterminer dans quelle direction les électrons circulent dans le fil et, par conséquent, quelle demi-cellule est la cathode et quelle est l’anode. Prenons un exemple.

Utilisons notre exemple précédent, la pile zinc-cuivre. Si le système se trouve dans des conditions standard, nous pouvons alors utiliser la série électrochimique pour déterminer la direction du flux d’électrons dans le fil et, par conséquent, quelle demi-cellule est l’anode où a lieu l’oxydation et quelle est la cathode où a lieu la réduction. Tout d’abord, nous devons trouver les deux éléments de notre système, dans ce cas le cuivre et le zinc. Ensuite, nous devons aller à la série électrochimique et trouver les demi-réactions correspondantes pour chacune, et les voici.

Dans la série électrochimique, ces deux réactions sont séparées par beaucoup d’autres réactions et se trouvent entre autres demi-réactions. Ici, je n’ai écrit que les deux que nous étudions. Dans une cellule galvanique, l’électrode avec un potentiel plus grand ou plus positif est considérée comme la cathode. Lorsque nous comparons ces deux potentiels de rédox, nous pouvons voir que la valeur du cuivre est plus positive et plus grande. Donc, le cuivre est la cathode. Nous savons que plus le potentiel redox est positif ou grand, plus cette substance est facile à réduire. Inversement, l’électrode avec un potentiel plus petit ou plus négatif est considérée comme étant l’anode. En d’autres termes, plus le potentiel redox est petit ou négatif, moins cette électrode est susceptible d’être réduite et plus elle est susceptible d’être oxydée.

Maintenant, nous pouvons déterminer la direction du flux d’électrons dans le fil. Les électrons iront de l’anode, en l’oxydant, à la cathode, en la réduisant. Nous avons ces trois informations en regardant tout simplement la série électrochimique. Le zinc cède des électrons au fil, tandis que le cuivre reçoit des électrons du fil. Ainsi, en comparant les tailles relatives de deux potentiels d’électrode, nous pouvons déterminer qui est l’oxydation et qui est la réduction.

Il existe une autre façon de déterminer qui est l’oxydation et qui est la réduction. Cette deuxième méthode est une astuce. Les flèches roses ressemblent un peu à une lettre carrée C. Elles nous disent que l’équation supérieure, l’équation de zinc, doit être lue de droite à gauche. En d’autres termes, le zinc est oxydé du zinc solide vers deux ions de zinc. Et cela nous dit que l’équation du bas, l’équation du cuivre, doit être lue de gauche à droite comme telle qu’elle est écrite. Donc les ions positifs de cuivre doublement chargés sont réduits vers le cuivre métallique solide. Encore une fois, l’équation supérieure est inversée de gauche à droite, et celle du bas est laissée telle quelle. Maintenant, faites attention ! Cette méthode ne fonctionne que si les potentiels redox plus négatifs sont écrits en haut de la liste et les plus positifs en bas.

Maintenant que les deux demi-équations sont écrites dans le bon sens, nous pouvons calculer la réaction globale. Les deux électrons de gauche s’annulent avec les deux électrons de droite. Ensuite, nous pouvons additionner les deux demi-réactions pour obtenir l’équation globale. Utilisons maintenant les deux valeurs du potentiel d’électrode pour déterminer le potentiel global de la cellule. Nous pouvons calculer le potentiel de la cellule standard ou la différence de potentiel entre les deux électrodes standard en utilisant cette équation. Le potentiel de cellule standard est égal au potentiel redox standard de la cathode moins le potentiel redox standard de l’anode.

𝐸 cellule ou fem est la force électromotrice. La force électromotrice est la différence de potentiel maximale entre les deux électrodes, celle qui existe au début de la réaction. Au fil du temps, à mesure que la réaction redox se déroule, cette valeur diminue. Calculons maintenant cette valeur pour notre cellule de zinc-cuivre. En prenant la valeur du cuivre pour la cathode, nous soustrayons ensuite la valeur de l’anode de zinc, et nous obtenons une valeur de 1,10 volts pour cette cellule électrochimique. Une valeur positive nous indique que cette réaction peut avoir lieu, ce qui signifie que la réaction se produira spontanément sans que nous ayons à apporter de l’énergie au système pour déclencher une réaction.

Que se passerait-il si nous échangions ces deux valeurs ? Nous obtiendrions moins 1,10 volts en réponse. Cela nous dirait que la réaction n’est pas réalisable lorsque le cuivre devient l’anode et le zinc la cathode. En d’autres termes, la réduction spontanée du zinc par le cuivre ne se produira pas.

Maintenant, il est temps de s’exercer.

En utilisant les potentiels d’électrode standard dans le tableau ci-dessous, calculez le potentiel de cellule standard pour une cellule galvanique composée de demi-cellules Au3 + / Au et Ni2 + / Ni. Le tableau donne deux demi-équations avec leurs potentiels d’électrode standard. Au3 + aqueux plus trois électrons conduisant à l’Au solide, où son potentiel d’électrode standard est de 1,498 volts. L’autre demi-équation est Ni2 + aqueux plus deux électrons conduisant au Ni solide avec son potentiel d’électrode standard de moins 0,257 volts. Les options de réponse sont (A) 1,241 volts, (B) 1,755 volts, (C) moins 1,241 volts ou (D) moins 1,755 volts.

On nous dit que nous avons une cellule galvanique avec des demi-cellules en or et en nickel. La configuration de la cellule ressemblerait à ceci. Dans une cellule galvanique, une réaction redox se produit spontanément, générant un courant dans le fil reliant les électrodes. Nous ne savons pas dans quelle sens se déplace le courant électrique dans cette cellule galvanique. On nous demande de calculer le potentiel standard de la cellule ou 𝐸 cellule. Les conditions standard sont une concentration molaire égale à un pour les électrolytes, une pression atmosphérique d’une atmosphère et 25 degrés Celsius. 𝐸 cellule est la différence de potentiel entre les électrodes au début de la réaction. C’est la différence de potentiel maximale entre ces électrodes et 𝐸 cellule est égale à 𝐸 cathode moins 𝐸 anode.

On nous donne les potentiels d’électrode standard pour l’or et le nickel, mais quelle est la cathode et quelle est l’anode ? Ces potentiels d’électrode standard sont en fait des potentiels redox standard. C’est pourquoi les deux demi-équations sont écrites sous la forme de réductions avec les électrons du côté gauche des flèches. Plus le potentiel redox standard est grand ou positif, plus cette électrode est facilement réduite. La valeur de l’or de 1,498 volts est plus grande et plus positive que la valeur du nickel de moins 0,257 volts, ce qui nous dit que l’or est plus facilement réduit que le nickel. Par conséquent, l’or sera la cathode et le nickel l’anode.

Introduisons maintenant nos valeurs dans l’équation. 𝐸 cellule est égale à 1,498 volts moins moins 0,57 volts. Faites attention à ces deux signes négatifs. Cela donne une réponse positive de 1,755 volts. Le signe positif nous indique que la réaction avec l’or comme cathode et le nickel comme anode peut avoir lieu et se produira spontanément. Mais quelle est cette réaction ? C’est la réaction globale où l’or est réduit à la cathode et où le nickel est oxydé à l’anode. Ainsi, la direction du flux d’électrons serait de l’électrode de nickel vers l’électrode d’or. On nous a demandé de calculer le potentiel de cellule standard pour la cellule galvanique or-nickel, et la réponse est 1,755 volts.

Résumons ce que nous avons appris. Nous avons récapitulé la configuration d’une cellule galvanique et la notation pour les cellules en utilisant la cellule de zinc-cuivre. À titre d’exemple, nous avons vu que les informations sur les anodes sont écrites à gauche et les informations sur les cathodes à droite. Nous avons appris que les conditions standard sont la pression d’une atmosphère, la température de 25 degrés Celsius et la concentration molaire d’électrolyte égale à un. Ensuite, nous avons examiné la série électrochimique, qui est une liste de potentiels redox standard et de leurs demi-réactions de réduction correspondantes. Nous avons vu que ces informations sont généralement classées par ordre croissant de potentiel, en d’autres termes, par ordre croissant de potentiel redox ou de facilité de réduction.

Enfin, nous avons appris à calculer le potentiel de la cellule standard 𝐸 cellule ou la force électromotrice. L’équation dit que 𝐸 cellule est égale à 𝐸 cathode moins 𝐸 anode, où le symbole de Plimsoll à l’exposant indique les conditions standard et les valeurs par rapport à l’électrode standard à hydrogène. Nous pouvons déterminer quelle électrode d’une cellule galvanique est la cathode et laquelle est l’anode. La cathode a le potentiel redox plus grand ou plus positif. Enfin, nous avons appris que le potentiel standard d’une cellule peut avoir une valeur positive ou négative et qu’une valeur positive indique une réaction redox réalisable ou spontanée.

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