On a réalisé une pile électro-chimique basée sur la réaction entre les ions argent et cuivre. La pile comporte deux compartiments séparés. L'équation qui a lieu lorsque la pile fonctionne est :
\ce{Cu_{(s)}} + 2\ce{Ag^{+}_{(aq)}}\ce{->}\ce{Cu^{2+}_{(aq)}} + 2\ce{Ag_{(s)}}
Les ions \ce{Ag^{+}_{(aq)}} proviennent d'une solution de nitrate d'argent \ce{AgNO3} et les ions \ce{Cu^{2+}_{(aq)}} d'une solution de sulfate de cuivre \ce{CuSO4}.
Quels sont les couples oxydants/réducteurs qui entrent en jeu lors du fonctionnement de la pile ?
L'équation de fonctionnement de la pile étant fournie, on peut déterminer les couples oxydants / réducteurs en se basant sur les règles suivantes :
- Les deux espèces du couple ont au moins un élément chimique en commun et sont liées par une demi-équation.
- Un oxydant est une entité chimique capable de gagner un ou plusieurs électrons.
- Un réducteur est une entité chimique capable de perdre un ou plusieurs électrons.
- L'oxydant d'un couple réagit avec le réducteur de l'autre couple.
De la première règle, on peut en déduire que les espèces associées sont :
- \ce{Ag_{(s)}} et \ce{Ag^{+}_{(aq)}} d'une part
- \ce{Cu^{2+}_{(aq)}} et \ce{Cu_{(s)}} de l'autre
En utilisant la deuxième règle, on peut noter que \ce{Ag^{+}_{(aq)}} et \ce{Cu^{2+}_{(aq)}} sont des ions positifs. Ils doivent donc forcément gagner des électrons pour devenir leur métaux associés. Il s'agit donc des oxydants de leurs couples.
Les couples oxydants / réducteurs qui entrent en jeu ici sont :
- \ce{Cu^{2+}_{(aq)}} / \ce{Cu_{(s)}}
- \ce{Ag^{+}_{(aq)}} / \ce{Ag_{(s)}}
Quelle transformation a lieu dans chaque compartiment ?
Dans chaque compartiment a lieu une transformation qui change soit l'oxydant en réducteur, soit l'inverse selon la demi-équation électronique d'oxydoréduction suivante :
Ox+n e^{-} = Red
Cas du couple \ce{Cu^{2+}_{(aq)}} / \ce{Cu_{(s)}}
D'après l'équation de fonctionnement de la pile, le cuivre solide est le réactif et les ions cuivre II sont le produit. Le premier a donc cédé des électrons. Il y a donc eu passage du réducteur à l'oxydant : c'est une oxydation.
Or, ici, le nombre d'électrons échangés entre le réducteur et l'oxydant est de 2. La demi-équation associée à ce couple est donc :
\ce{Cu_{(s)}} = \ce{Cu^{2+}_{(aq)}} +2e^{-}
Cas du couple \ce{Ag^{+}_{(aq)}} / \ce{Ag_{(s)}}
D'après l'équation de fonctionnement de la pile, les ions argent I sont le réactif et l'argent solide est le produit. Le premier a gagné des électrons. Il y a donc eu passage de l'oxydant au réducteur : c'est une réduction.
Or, ici, le nombre d'électrons échangés entre le réducteur et l'oxydant est de 1. La demi-équation associée à ce couple est donc :
\ce{Ag^{+}_{(aq)}} +e^{-} = \ce{Ag_{(s)}}
- Dans le compartiment de l'argent, il y a eu une réduction. Les ions argent I ont capté un électron selon la demi-équation :
\ce{Ag^{+}_{(aq)}} +e^{-} = \ce{Ag_{(s)}}
- Dans le compartiment du cuivre, il y a eu une oxydation. Le cuivre solide a cédé des électrons selon la demi-équation :
\ce{Cu_{(s)}} = \ce{Cu^{2+}_{(aq)}} +2e^{-}
Quel est le schéma correct de la pile ?
Pour réaliser le schéma de la pile, on se base sur l'équation de fonctionnement de celle-ci et sur les réactifs et produits présents : le cuivre et l'argent solide, les ions cuivre II et argent I.
- On a alors un premier compartiment qui contient du nitrate d'argent dans lequel on a plongé une lame d'argent (couple \ce{Ag^{+}_{(aq)}} / \ce{Ag_{(s)}} ).
- L'autre compartiment contient du sulfate de cuivre et on y a plongé une lame de cuivre (couple \ce{Cu^{2+}_{(aq)}} / \ce{Cu_{(s)}} ).
- Ces deux compartiments doivent être reliés par un pont salin.
On peut alors réaliser le schéma correspondant :
Sur quel schéma le sens des électrons dans les fils est-il correctement représenté ?
Il se produit une oxydation du cuivre dans son compartiment (c'est lui qui donne les électrons) donc la lame de cuivre correspond à l'anode, le pôle négatif : les électrons vont s'en "échapper" en direction de l'autre électrode.
La lame d'argent correspond donc à la cathode, le pôle positif (les ions argent reçoivent des électrons, arrivant de l'anode par le circuit, qui permettent leur réduction).
On complète alors le schéma de la pile :
