On a réalisé une pile électro-chimique basée sur la réaction entre les ions fer II et le zinc. La pile comporte deux compartiments séparés. L'équation qui a lieu lorsque la pile fonctionne est :
\ce{Zn_{(s)}} + \ce{Fe^{2+}_{(aq)}}\ce{->}\ce{Zn^{2+}_{(aq)}} + \ce{Fe_{(s)}}
Les ions \ce{Fe^{2+}_{(aq)}} proviennent d'une solution de chlorure de fer \ce{FeCl2} et les ions \ce{Zn^{2+}_{(aq)}} d'une solution de sulfate de zinc \ce{ZnSO4}.
Quels sont les couples oxydants/réducteurs qui entrent en jeu lors du fonctionnement de la pile ?
L'équation de fonctionnement de la pile étant fournie, on peut déterminer les couples oxydant-réducteur en se basant sur 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.
- L'oxydant d'un couple réagit avec le réducteur de l'autre couple.
De la première règle, on peut en déduire que les espèces associées sont :
\ce{Fe_{(s)}} et \ce{Fe^{2+}_{(aq)}} d'une part, \ce{Zn^{2+}_{(aq)}} et \ce{Zn_{(s)}} de l'autre
En utilisant la deuxième règle, on peut noter que \ce{Fe^{2+}_{(aq)}} et \ce{Zn^{2+}_{(aq)}} sont des ions positifs. Ils doivent donc forcément gagner des électrons pour devenir leur métaux associés. Il s'agit donc des oxydants de leurs couples.
Les couples oxydants / réducteurs qui entrent en jeu ici sont :
- \ce{Zn^{2+}_{(aq)}} / \ce{Zn_{(s)}}
- \ce{Fe^{2+}_{(aq)}} / \ce{Fe_{(s)}}
Quelle transformation a lieu dans chaque compartiment ?
Dans chaque compartiment a lieu une transformation qui change soit l'oxydant en réducteur, soit l'inverse selon la demi-équation électronique d'oxydoréduction suivante :
Ox+n e^{-} = Red
Cas du couple \ce{Fe^{2+}_{(aq)}} / \ce{Fe_{(s)}}
D'après l'équation de fonctionnement de la pile, les ions fer II sont le réactif et le fer solide est le produit. Les premiers ont capté des électrons. Il y a donc eu passage de l'oxydant au réducteur : c'est une réduction.
Or, ici, le nombre d'électrons échangés entre l'oxydant et le réducteur est de 2. La demi-équation associée à ce couple est donc :
\ce{Fe^{2+}_{(aq)}} +2e^{-} = \ce{Fe_{(s)}}
Cas du couple \ce{Zn^{2+}_{(aq)}} / \ce{Zn_{(s)}}
D'après l'équation de fonctionnement de la pile, le zinc solide est le réactif et les ions zinc II sont le produit. Le premier a cédé des électrons. Il y a donc eu passage du réducteur à l'oxydant : c'est une oxydation.
Or, ici, le nombre d'électrons échangés entre l'oxydant et le réducteur est de 2. La demi-équation associée à ce couple est donc :
\ce{Zn_{(s)}} = \ce{Zn^{2+}_{(aq)}} +2e^{-}
- Dans le compartiment du fer, il y a eu une réduction. Les ions fer II ont capté des électrons selon la demi-équation :
\ce{Fe^{2+}_{(aq)}} +2e^{-} = \ce{Fe_{(s)}}
- Dans le compartiment du zinc, il y a eu une oxydation. Le zinc solide a cédé des électrons selon la demi-équation :
\ce{Zn_{(s)}} = \ce{Zn^{2+}_{(aq)}} +2e^{-}
Quel est le schéma correct de la pile ?
Pour réaliser le schéma de la pile, on se base sur l'équation de fonctionnement de celle-ci et sur les réactifs et produits présents : le zinc et le fer solide, les ions zinc II et fer II.
- On a alors un compartiment qui contient du chlorure de fer dans lequel on a plongé une lame de fer (couple \ce{Fe^{2+}_{(aq)}} / \ce{Fe_{(s)}} ).
- L'autre compartiment contient du sulfate de zinc et on y a plongé une lame de zinc (couple \ce{Zn^{2+}_{(aq)}} / \ce{Zn_{(s)}} ).
- Ces deux compartiments doivent être reliés par un pont salin.
On peut alors réaliser le schéma correspondant :
Sur quel schéma le sens des électrons dans les fils est-il correctement représenté ?
Il se produit une réduction du fer dans son compartiment (c'est lui qui reçoit les électrons) donc la lame de fer correspond à la cathode, le pôle positif : les électrons y "arrivent", en provenance de l'autre électrode.
La lame de zinc correspond donc à l'anode, le pôle négatif (le métal zinc perd des électrons, les envoyant vers la cathode par le circuit, permettant son oxydation en ions zinc II).
On complète alors le schéma de la pile :
