Forcer l’évolution d’un système

Physique-Chimie – Prévoir l’évolution d’un système

En résumé

Un système chimique évolue spontanément dans un sens privilégié. Il est cependant possible de le faire évoluer dans le sens inverse en lui fournissant de l’énergie électrique : on parle alors de transformation forcée. L’électrolyseur est le dispositif qui permet de réaliser cette transformation.

Ce qu’il faut savoir faire

• Distinguer transformation spontanée et transformation forcée.
• Identifier le rôle d’un générateur dans un électrolyseur.
• Repérer l’électrode où se produit l’oxydation et celle où se produit la réduction.
• Utiliser Q = I × Δt pour calculer une quantité d’électricité.
• Utiliser Q = n(e⁻) × F pour relier électrons échangés et courant électrique.
• Expliquer la conversion et le stockage d’énergie dans un électrolyseur, une pile ou un accumulateur.

1. La transformation forcée

a. Évolution spontanée d’un système

On considère une transformation modélisée par deux réactions opposées. L’évolution d’un système chimique est spontanée dans le sens qui se produit naturellement, sans apport extérieur d’énergie électrique.

Par exemple, en présence de zinc métallique et d’ions cuivre(II), on peut observer une transformation spontanée :

Le zinc est oxydé et les ions cuivre(II) sont réduits. La réaction inverse n’est pas spontanée dans les mêmes conditions.

b. Transformation forcée

Une transformation forcée est une transformation chimique qui se déroule dans le sens inverse de l’évolution spontanée grâce à un apport d’énergie électrique par un générateur.

Le générateur impose un sens de circulation des électrons qui oblige le système à évoluer dans le sens non spontané :

2. Le fonctionnement d’un électrolyseur

Un électrolyseur est un dispositif dans lequel un générateur impose un courant électrique afin de réaliser une transformation chimique non spontanée.

Dans l’électrolyte, les ions assurent le transport de charge. Dans les conducteurs métalliques, le courant est dû au déplacement des électrons.

3. Courant et quantité d’électricité mise en jeu

Dans un électrolyseur alimenté par un courant d’intensité constante I pendant une durée Δt, la quantité d’électricité mise en jeu vaut :

Cette quantité d’électricité est aussi reliée à la quantité de matière d’électrons échangés :

La constante de Faraday vaut :

Exemple de raisonnement

Si un courant I traverse l’électrolyseur pendant une durée Δt, on calcule d’abord Q = IΔt. On en déduit ensuite la quantité de matière d’électrons :

Enfin, on utilise les coefficients stœchiométriques des demi-équations pour déterminer les quantités de produits formés ou de réactifs consommés.

4. Conversion et stockage de l’énergie

Un convertisseur d’énergie assure la conversion d’une forme d’énergie en une ou plusieurs autres formes. Un électrolyseur reçoit de l’énergie électrique et la transforme en énergie chimique stockée dans les espèces produites.

Exemples

• L’électrolyse de l’eau peut produire du dihydrogène et du dioxygène.
• La recharge d’un accumulateur correspond à une transformation forcée.
• Une pile en fonctionnement spontané fournit de l’énergie électrique.

Mots-clés à connaître

transformation forcéeévolution spontanéeélectrolyseélectrolyseurélectrodeélectrolyteoxydationréductionanodecathodequantité d’électricitéfaradaycourant électriqueintensitéaccumulateurpileénergie électriqueénergie chimiquestockage d’énergieconstante d’Avogadro

Carte mentale de synthèse

Méthode express

Phrase modèle :
L’électrolyseur impose une transformation chimique non spontanée grâce à un apport d’énergie électrique. La quantité de matière transformée dépend de la quantité d’électricité échangée, reliée au courant par Q = IΔt et aux électrons par Q = n(e⁻)F.

Erreurs fréquentes

QCM interactif

Clique sur une réponse : la case devient verte si c’est juste, rouge si c’est faux.

Un électrolyseur permet de forcer une transformation chimique grâce à l’énergie électrique ; la quantité de matière transformée dépend de la quantité d’électricité échangée.