Première S 2015-2016

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Le stockage et la conversion de l'énergie chimique

Énergie chimique

L'énergie chimique constitue un réservoir d'énergie qu'il est possible de libérer lors d'une réaction chimique. Elle est liée à la rupture et à la formation des liaisons covalentes qui se produisent alors.

Combustion

La combustion d'une espèce organique (le combustible) est la réaction d'oxydation de cette espèce par le dioxygène \(\displaystyle{\ce{O2}}\). Si elle est complète, il se forme du dioxyde de carbone \(\displaystyle{\ce{CO2}}\) et de l'eau \(\displaystyle{\ce{H2O}}\).

Énergie libérée par une combustion

L'énergie libérée par une combustion dépend de la quantité de matière de combustible consommé et de l'énergie molaire de combustion de la réaction considérée :

\(\displaystyle{E_{libérée \left(J\right)} = n_{combustible \left(mol\right)} \times E_{m, combustion \left(J.mol^{-1}\right)}}\)

Un couple d'oxydoréduction est noté \(\displaystyle{Ox / Red }\) et est associé à une demi-équation électronique illustrant le transfert d'électrons :

\(\displaystyle{Ox + n e^{-} = Red}\)

Ainsi :

  • Un oxydant est une espèce chimique susceptible de capter des électrons (= réduction).
  • Un réducteur est une espèce chimique susceptible de libérer des électrons (= oxydation).

Certaines demi-équations électroniques sont plus complexes à ajuster, il faut alors suivre, dans l'ordre, la méthode suivante :

  • Équilibrer les éléments chimiques autres que l'hydrogène \(\displaystyle{\ce{H}}\) et l'oxygène \(\displaystyle{\ce{O}}\)
  • Équilibrer l'élément oxygène \(\displaystyle{\ce{O}}\) en utilisant des molécules d'eau \(\displaystyle{\ce{H2O}}\)
  • Équilibrer l'élément hydrogène \(\displaystyle{\ce{H}}\) en utilisant des ions hydrogène \(\displaystyle{\ce{H+}}\) (écriture simplifiée des ions oxonium \(\displaystyle{\ce{H3O+}}\) )
  • Équilibrer la charge électrique en utilisant des électrons \(\displaystyle{\ce{e-}}\)

Réaction d'oxydoréduction

Une réaction d'oxydoréduction est une réaction au cours de laquelle il y a échange d'électrons entre l'oxydant d'un couple et le réducteur d'un autre couple.

Pour deux couples Ox1 / Red1 et Ox2 / Red2 la réaction d'oxydoréduction est de la forme :

Ox1 + Red2\(\displaystyle{\ce{->}}\) Red1 + Ox2

Afin d'assurer la conservation de la charge électrique, le nombre d'électrons cédés doit être égal au nombre d'électrons captés, il est donc nécessaire :

  • D'écrire les demi-équations électroniques de chaque couple avant d'écrire la réaction d'oxydoréduction.
  • Éventuellement les multiplier par des coefficients afin qu'elles mettent en jeu le même nombre d'électrons.
  • Simplifier la réaction en ôtant les espèces chimiques qui sont présentes à la fois du côté des réactifs et des produits.

Pile électrochimique

Une pile convertit l'énergie chimique en énergie électrique via une réaction d'oxydoréduction.

La pile est le lieu d'une réaction globale d'oxydoréduction :

\(\displaystyle{Ox_1+Red_2\ce{->}Red_1+Ox_2}\)

Le transfert d'électrons se fait via le fil de connexion et génère donc un courant électrique.

À l'extérieur de la pile, les électrons circulent de l'anode (où ils sont libérés) vers la cathode (où ils sont captés), le courant électrique circule dans le sens opposé et son sens conventionnel est du pôle positif vers le pôle négatif de la pile, ainsi :

  • La cathode est l'électrode où se déroule la réduction et constitue le pôle positif de la pile.
  • L'anode est l'électrode où se déroule l'oxydation et constitue le pôle négatif de la pile.

Quantité d'électricité transférée par une pile

Au cours de la réaction d'oxydoréduction, une pile fournit une quantité d'électricité Q, en coulomb (C), liée à la quantité de matière d'électrons échangés :

\(\displaystyle{Q_{\left(C\right)} = n_{e^{-}\left(mol\right)} \times F_{\left(C.mol^{-1}\right)}}\)

F étant la constante de Faraday : F = 96 500 C.mol−1

Intensité délivrée par une pile

L'intensité I délivrée par une pile transférant la quantité d'électricité Q en une durée \(\displaystyle{\Delta t}\) est :

\(\displaystyle{I_{\left(A\right)} = \dfrac{Q_{\left(C\right)}}{\Delta t_{\left(s\right)}}}\)

Capacité d'une pile

La capacité d'une pile est la quantité d'électricité maximale qu'elle peut délivrer :

\(\displaystyle{Q_{\left(A.h\right)} = I_{\left(A\right)} \times \Delta t_{\left(h\right)} }\)

Avec 1 A.h = 3600 C

Accumulateur

Un accumulateur est un type de pile particulier : son fonctionnement est réversible. On peut l'utiliser pour générer du courant électrique par oxydoréduction spontanée, mais on peut aussi forcer la réaction inverse en appliquant un courant électrique entre les deux demi-piles, ce qui permet de le recharger.