Équilibre chimique
Transformations non totales
Pour une transformation chimique, il est possible de distinguer l'avancement final $x_f$ de l'avancement maximal $x_{max}$. Au cours de la transformation, l'avancement augmente jusqu'à l'état final, où il n'évolue plus et sa valeur est $x_f$.
$x_f = x_{max}$ : la transformation n'évolue plus car l'un des réactifs est entièrement consommé.
$x_f < x_{max}$ : il n'y a plus d'évolution du système, mais dans l'état final, il y a à la fois la présence des réactifs et des produits.
Équilibre dynamique
Une transformation non-totale est modélisée par deux réactions opposées l'une de l'autre. Les réactifs (A et B) réagissent entre eux pour former les produits (C et D) et, simultanément, les produits (C et D) réagissent entre eux pour reformer (A et B).
Le système est à l'état d'équilibre dynamique si la vitesse de disparition de chaque espèce chimique est égale à sa vitesse d'apparition.
Quotient de réaction et constante d'équilibre
À chaque réaction chimique d'équation $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$, on associe un quotient de réaction $Q_r$ (sans unité) :
Au cours de la transformation, les concentrations évoluent, donc $Q_r$ évolue, jusqu'à ce que l'équilibre dynamique soit atteint. La valeur de $Q_r$ à l'équilibre ne dépend pas de la composition initiale du système : c'est la constante d'équilibre $K(T)$.
Critère d'évolution du système chimique
À l'état initial, on mélange A et B (éventuellement C et D sont déjà présents). On calcule le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$ et on le compare à $K(T)$ :
- Si $Q_{r,i} < K(T)$ : le système évolue dans le sens direct (formation des produits C et D).
- Si $Q_{r,i} > K(T)$ : le système évolue dans le sens opposé (formation des réactifs A et B).
- Si $Q_{r,i} = K(T)$ : le système est déjà à l'équilibre dynamique.
Les piles
Constitution d'une pile
Une pile est constituée de deux demi-piles, reliées par un pont salin ou une membrane laissant passer les ions.
Chaque demi-pile est constituée d'un métal $M(s)$ plongeant dans une solution contenant des ions métalliques $M^{n+}(aq)$, de sorte que le couple $M^{n+}(aq)/M(s)$ constitue un couple oxydant-réducteur.
Fonctionnement d'une pile
Lors du fonctionnement d'une pile électrochimique, des électrons circulent dans le fil conducteur et des ions circulent dans le pont salin pour assurer la neutralité électrique des solutions.
Une transformation se produit pour laquelle on définit un quotient de réaction $Q_r$ et une constante d'équilibre $K(T)$. Tant que $Q_r < K(T)$, la réaction évolue dans le sens direct : les électrons sont échangés spontanément entre les réactifs, un courant électrique circule dans le circuit. Il y a conversion d'énergie chimique en énergie électrique.
- Tant que $Q_r < K(T)$ : la pile fonctionne, $Q_r$ tend vers $K(T)$.
- Lorsque $Q_r = K(T)$ : la réaction est terminée, la pile est usée.
Mouvement des porteurs de charge électrique
À l'intérieur de la pile, le pont salin permet de fermer le circuit électrique et assure la neutralité des solutions.
À l'extérieur de la pile, un courant électrique circule de la borne positive vers la borne négative (les électrons circulent dans le sens opposé).
Capacité électrique d'une pile
La capacité électrique $Q$ d'une pile représente la quantité maximale de charges électriques qu'elle peut fournir au cours de son fonctionnement. Elle se mesure en coulomb (C), parfois en $A \cdot h$.
Cette capacité électrique correspond à la charge maximale que la pile peut débiter durant toute sa durée de vie :
$N_A \times e$ est le produit de deux constantes : c'est donc également une constante, appelée constante de Faraday $\mathscr{F}$.
Travaux pratiques
Réalisation et étude d'une pile électrochimique au laboratoire : constitution des demi-piles, mesure de la tension à vide, sens du courant et estimation de la capacité électrique.
Construction d'une pile électrochimique (par exemple Zn/Cu) à l'aide de deux demi-piles reliées par un pont salin, mesure de la tension à vide, identification des bornes et exploitation des données pour estimer la capacité électrique de la pile.