Prévoir le sens de l’évolution spontanée d’un système chimique

Comment prévoir une réaction chimique ? Comment une transformation chimique donne une énergie électrique ? Cécile et Nicolas, professeurs de physique-chimie, vous l’expliquent en prenant l’exemple de la pile.  

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Le critère général d’évolution spontanée d’un système chimique

Prévoir le sens de l’évolution spontanée d’un système chimique (ici la pile) permet d’anticiper la réaction qui aura lieu et de maîtriser l’impact de cette réaction sur l’environnement. Pour prédire, on introduit deux grandeurs : le quotient de réaction (Qr) et la constante d’équilibre (K). La constante d’équilibre est l’état durant lequel le système chimique ne peut plus évoluer de manière spontanée. Le quotient de réaction est un nombre défini par la relation entre les espèces chimiques en solution.

La comparaison du quotient de réaction à l’état initial et de la constance d’équilibre permet de prévoir l’évolution spontanée du système d’espèce chimique et le sens du courant. Trois situations sont envisagées :

• Si le quotient d’équilibre est égal à la constance d’équilibre, alors il n’y a pas d’évolution du système chimique.
• Si le quotient de réaction à l’état initial est plus petit que la constance d’équilibre, la réaction va évoluer dans le sens de formation des produits. Elle augmente pour atteindre la constante d’équilibre.
• Si le quotient de réaction est supérieur à la constance d’équilibre, la réaction évolue dans le sens de formation des réactifs. Le quotient de réaction diminue jusqu’à atteindre la valeur de la constante d’équilibre.

Le fonctionnement d’une pile : la conversion électrochimique

Ici, le système chimique pris en exemple est la pile. La pile est le siège d’une transformation chimique. Elle convertit une énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction chimique d’oxydoréduction. Il y a quelques pertes sous forme d’énergie thermique. Cette transformation chimique met en jeu des transferts d’électrons.   

Une pile est composée de deux demi-piles reliées par un pont salin. Chaque demi-pile est constituée d’une électrode (un métal, comme le cuivre et le zinc, plongé dans une solution qui conduit l’électricité). Le fonctionnement d'une pile s'appuie sur le principe suivant : les électrons partent d’une l’électrode 1 (la borne – car elle perd des électrons.) à une électrode 2 (borne + car elle reçoit des électrons). Cet échange d’électrons est à l’origine du courant électrique. La borne – est une oxydation (anode) et la borne + est une réduction (cathode). Le pont salin contient des ions. Cet élément sert à assurer la liaison électrique entre les deux demi-piles et à maintenir la neutralité électrique des solutions.

La consommation des réactifs entraîne l’usure d’une pile.