Première S 2015-2016
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Première S 2015-2016

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 O2. Si elle est complète, il se forme du dioxyde de carbone CO2 et de l'eau 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 :

Elibérée(J)=ncombustible(mol)×Em,combustion(J.mol1)

Un couple d'oxydoréduction est noté Ox/Red et est associé à une demi-équation électronique illustrant le transfert d'électrons :

Ox+ne=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 H et l'oxygène O
  • Équilibrer l'élément oxygène O en utilisant des molécules d'eau H2O
  • Équilibrer l'élément hydrogène H en utilisant des ions hydrogène H+ (écriture simplifiée des ions oxonium H3O+ )
  • Équilibrer la charge électrique en utilisant des électrons 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 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 :

Ox1+Red2Red1+Ox2

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 :

Q(C)=ne(mol)×F(C.mol1)

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 Δt est :

I(A)=Q(C)Δt(s)

Capacité d'une pile

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

Q(A.h)=I(A)×Δt(h)

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.

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