Série électrochimique

Explication de la série électrochimique

Au début, nous avons fait passer l'idée que certains éléments sont plus doués que d'autres pour céder leurs électrons. Il s'agit d'un principe fondamental de la chimie, qui est à la base de toutes les réactions d'oxydoréduction. Pour l'explorer plus en détail, nous devons nous pencher sur la série électrochimique. Mais d'abord, tu as besoin d'un peu de connaissances de base. Pour cela, nous allons commencer par apprendre ce que sont les demi-cellules, les cellules électrochimiques et le potentiel standard des électrodes.

Demi-cellules

Imagine que tu mettes une tige de zinc dans une solution d'ions de zinc. Tu finis par former un équilibre, dans lequel certains des atomes de zinc abandonnent leurs électrons pour former des ions de zinc. Voici l'équation. Tu remarqueras qu'il est conventionnel d'écrire les ions et les électrons sur le côté gauche et l'atome de métal sur le côté droit :

${\mathrm{Zn}}^{2+}\left(\mathrm{aq}\right)+2{\mathrm{e}}^{-}\rightleftharpoons \mathrm{Zn}\left(\mathrm{s}\right)$

Les ions zinc se déplacent dans la solution tandis que les électrons libérés se rassemblent sur la tige, ce qui lui confère une charge négative. Cela crée une différence de potentiel entre la tige de zinc et la solution d'ions de zinc, appelée potentiel d'électrode. La position exacte de cet équilibre et la différence de potentiel exacte du système dépendent de la réactivité du zinc et de la facilité avec laquelle il cède ses électrons.

Maintenant, réfléchis à ce qui se passerait si tu mettais une tige de cuivre dans une solution d'ions de cuivre. Certains des atomes de cuivre réagissent et cèdent leurs électrons pour former des ions de cuivre. Une fois de plus, tu finiras par former un équilibre. Mais le cuivre est moins réactif que le zinc et n'est pas aussi doué pour céder ses électrons - on peut dire que le cuivre est un moins bon agent réducteur. Cela signifie que la différence de potentiel de ce système de cuivre est moins négative que la différence de potentiel du système de zinc. Nous appelons le système créé en plaçant un métal dans une solution de ses propres ions une demi-cellule.

Cellules électrochimiques

Enfin, réfléchis à ce qui se passerait si tu reliais la demi-cellule de zinc et la demi-cellule de cuivre à l'aide d'un fil et d'un pont salin. Le zinc est un meilleur agent réducteur que le cuivre - il est plus réactif et cède ses électrons plus facilement. Cela signifie qu'il a une différence de potentiel plus négative que le cuivre. Cela crée une différence de potentiel globale entre les deux cellules, que nous pouvons également appeler un potentiel d'électrode, montrant la différence de facilité avec laquelle les deux métaux cèdent leurs électrons. La différence de potentiel est mesurée par un voltmètre connecté au système.

La combinaison de deux demi-cellules est connue sous le nom decellule électrochimique . Elle ne repose sur rien d'autre que de simples réactions d'oxydoréduction. Comme le zinc a une différence de potentiel plus négative que le cuivre, il y a une plus grande accumulation d'électrons sur la tige de zinc. Si nous permettons à ces électrons de circuler, ils voyageront à travers le fil, du zinc, le meilleur agent réducteur, au cuivre, l'agent réducteur le plus mauvais. Pendant ce temps, les ions positifs de la solution traverseront le pont de sel dans la même direction pour équilibrer la charge. Les atomes de zinc se transforment en ions zinc, perdant ainsi des électrons ; les ions cuivre se transforment en atomes de cuivre, gagnant ainsi des électrons. Voici les deux équations :

$\mathrm{At}\mathrm{the}\mathrm{zinc}\mathrm{rod}:\mathrm{Zn}\left(\mathrm{s}\right)\to {\mathrm{Zn}}^{2+}\left(\mathrm{aq}\right)+2{\mathrm{e}}^{-}\mathrm{At}\mathrm{the}\mathrm{copper}\mathrm{rod}:{\mathrm{Cu}}^{2+}\left(\mathrm{aq}\right)+\hspace{0.17em}2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Cu}\left(\mathrm{s}\right)$

Potentiel d'électrode standard

Nous savons que si tu mets un métal en solution, il se forme un équilibre entre les atomes et les ions métalliques. Cela crée une différence de potentiel, dont la valeur dépend de la position de l'équilibre. Nous ne pouvons pas mesurer directement la différence de potentiel générée par une seule demi-cellule. Cependant, nous pouvons mesurer la différence de potentiel générée lorsque tu connectes deux demi-cellules ensemble dans une cellule électrochimique. Si nous enregistrons les différences de potentiel générées lorsque tu connectes toute une série de demi-cellules différentes à une demi-cellule de référence particulière, nous pouvons créer un tableau comparant ces valeurs et classer ainsi les métaux du plus réactif (le meilleur agent réducteur) au moins réactif (le pire agent réducteur).

C'est d'ailleurs ce que les scientifiques ont fait. La demi-cellule de référence utilisée est l'électrode à hydrogène. Nous appelons la différence de potentiel entre une demi-cellule et l'électrode d'hydrogène de référence dans des conditions standard le potentiel d'électrode standard de la cellule. Il s'agit d'une mesure du pouvoir réducteur de l'élément.

Représentation des potentiels d'électrode standard

Nous représentons les potentiels d'électrode standard (E°) à l'aide de demi-équations impliquant l'élément et ses ions. Note ce qui suit :

• Bien que nous ayons insisté sur le fait que les potentiels d'électrode standard t'indiquent avec quelle facilité un élément cède ses électrons, ils sont écrits en tant que potentiels de réduction - autrement dit, avec quelle facilité un ion gagne des électrons. Cela signifie que nous écrivons les ions et les électrons sur le côté gauche et l'élément combiné sur le côté droit.
• L'hydrogène a toujours une valeur de zéro, car c'est l'étalon avec lequel nous mesurons tous les autres potentiels d'électrode.
• Un potentiel d'électrode plus négatif signifie que l'élément est plus susceptible de céder ses électrons. C'est un meilleur agent réducteur et il est plus facilement oxydé.
• Un potentiel d'électrode plus positif signifie que l'élément est moins susceptible de céder ses électrons. C'est un moins bon agent réducteur et il est moins facilement oxydé.

Voici le potentiel standard de l'électrode pour le zinc, Zn :

${\mathrm{Zn}}^{2+}\left(\mathrm{aq}\right)+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Zn}\left(\mathrm{s}\right)\mathrm{E}°=-0.76\mathrm{V}$

La valeur du potentiel standard de l'électrode est négative. Cela signifie que le zinc est un meilleur agent réducteur que l'hydrogène et qu'il est plus facilement oxydé.

Série électrochimique

L'accumulation des potentiels d'électrode standard de différents éléments crée la série électrochimique.

La série électrochimique est à la base de toutes sortes de piles à combustible et de batteries modernes. Mais avant de nous pencher sur ces applications, examinons la série électrochimique elle-même sous la forme d'un tableau.

Tableau des séries électrochimiques

Le moment que tu attendais - voici la série électrochimique. Nous l'avons représentée sous la forme d'un tableau de différentes demi-cellules et de leurs potentiels d'électrode standard.

Applications de la série électrochimique

Nous avons appris ce qu'est la série électrochimique. Voyons maintenant quelques-unes de ses applications.

• La combinaison de deux demi-cellules avec des potentiels d'électrodes différents crée une cellule électrochimique. Nous pouvons l'utiliser pour produire de l'électricité. C'est pourquoi la série électrochimique est à la base des piles à combustible et des batteries.
• Nous pouvons également utiliser les potentiels des électrodes pour calculer le potentiel global d'une cellule électrochimique.
• En outre, la série électrochimique nous permet de prédire la direction d'une réaction d'oxydoréduction et de prévoir si des réactions de disproportion peuvent se produire. En général, les électrons se déplacent d'une espèce ayant un potentiel d'électrode standard plus négatif vers une espèce ayant un potentiel d'électrode standard plus positif.
• Nous pouvons également l'utiliser pour identifier les agents oxydants et réducteurs forts et faibles. En général, les espèces ayant un potentiel d'électrode négatif sont de bons agents réducteurs et ont tendance à perdre elles-mêmes des électrons.