On se propose d'étudier un accumulateur nickel / zinc.
Les demi-équations impliquées sont :
- \ce{Zn_{(s)}} + 2\ce{HO^{-}_{(aq)}}= \ce{Zn(OH)2_{(s)}} +2 e^{-}
- \ce{NiO(OH)_{(s)}} + \ce{H2O_{(l)}}+ e^{-} = \ce{Ni(OH)2_{(s)}} + \ce{HO^{-}_{(aq)}}
L'accumulateur contient une solution aqueuse concentrée de potasse (\ce{K^{+}}, \ce{HO^{-}}) ce qui explique la présence d'ions hydroxyde \ce{HO^{-}} dans les demi-équations.
Quels sont les couples oxydants/réducteurs impliqués dans cet accumulateur ?
On se base sur les demi-équations étant fournies pour déterminer les couples oxydants / réducteurs avec 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.
De la première règle, on peut en déduire que les espèces associées sont :
- \ce{Zn_{(s)}} et \ce{Zn(OH)2_{(s)}} d'une part
- \ce{NiO(OH)_{(s)}} et \ce{Ni(OH)2_{(s)}} de l'autre
En utilisant la seconde règle, on peut noter que \ce{Zn(OH)2_{(s)}} et \ce{NiO(OH)_{(s)}} gagnent des électrons pour devenir leur forme associée. Il s'agit donc des oxydants de leurs couples.
Les couples oxydants / réducteurs qui entrent en jeu ici sont :
- \ce{Zn(OH)2_{(s)}} / \ce{Zn_{(s)}}
- \ce{NiO(OH)_{(s)}} / \ce{Ni(OH)2_{(s)}}
Quelle est l'équation de décharge de cet accumulateur ?
L'équation de décharge de l'accumulateur correspond à l'équation de fonctionnement d'une pile : les couples oxydoréducteurs associés jouent alors le rôle de générateur tant que les réactifs ne sont pas épuisés et que la pile peut débiter (donc que le circuit est fermé).
Les demi-équations impliquées sont :
- \ce{Zn_{(s)}} + 2\ce{HO^{-}_{(aq)}}= \ce{Zn(OH)2_{(s)}} +2 e^{-}
- \ce{NiO(OH)_{(s)}} + \ce{H2O_{(l)}}+ e^{-} = \ce{Ni(OH)2_{(s)}} + \ce{HO^{-}_{(aq)}}
Comme le nombre d'électrons échangés n'est pas le même pour les deux demi-équations, il faut d'abord multiplier la seconde par un coefficient 2 avant qu'il soit possible de les combiner. On a alors :
- \ce{Zn_{(s)}} + 2\ce{HO^{-}_{(aq)}}= \ce{Zn(OH)2_{(s)}} +2 e^{-}
- 2\ce{NiO(OH)_{(s)}} + 2\ce{H2O_{(l)}}+ 2e^{-} = 2\ce{Ni(OH)2_{(s)}} + 2\ce{HO^{-}_{(aq)}}
On obtient alors l'équation de la réaction :
\ce{Zn_{(s)}} + 2\ce{HO^{-}_{(aq)}} + 2\ce{NiO(OH)_{(s)}} + 2\ce{H2O_{(l)}}+ 2e^{-} \ce{->} \ce{Zn(OH)2_{(s)}} +2 e^{-} + 2\ce{Ni(OH)2_{(s)}} + 2\ce{HO^{-}_{(aq)}}
Après simplifications, cela donne :
\ce{Zn_{(s)}} + 2\ce{NiO(OH)_{(s)}} + 2\ce{H2O_{(l)}}\ce{->} \ce{Zn(OH)2_{(s)}} + 2\ce{Ni(OH)2_{(s)}}
Quelle est l'équation de charge de cet accumulateur ?
Lors de la charge de l'accumulateur, on impose aux électrodes de celui-ci une tension supérieure et de sens opposé à celle qu'il débite lorsqu'il se décharge (autrement dit, lorsqu'il fonctionne comme une pile).
Cette tension impose le sens du courant donc de circulation des électrons dans le sens opposé à la décharge donc les produits deviennent les réactifs et vice-versa : la réaction a alors lieu dans le sens opposé.
L'équation de charge est donc :
\ce{Zn(OH)2_{(s)}} + 2\ce{Ni(OH)2_{(s)}} \ce{->} \ce{Zn_{(s)}} + 2\ce{NiO(OH)_{(s)}} + 2\ce{H2O_{(l)}}
Pourquoi faut-il recycler un tel accumulateur et ne pas le jeter dans les décharges ?
Les piles et les accumulateurs contiennent des métaux lourds (mercure, zinc, plomb, cadmium). Or ces métaux sont connus pour être dangereux pour la santé et pour l'environnement.
Dans le cas de cet accumulateur, on est en présence de nickel et surtout de zinc. Il faut donc le recycler.