Le quotient de réaction Qr détermine le sens d'évolution spontanée d'un système chimique. Les piles électrochimiques convertissent l'énergie chimique en énergie électrique ; l'électrolyse réalise l'inverse.
Pour une réaction aA + bB ⇌ cC + dD, le quotient de réaction Qr = [C]^c[D]^d / ([A]^a[B]^b) est calculé dans l'état initial. La comparaison de Qr avec K (constante d'équilibre) détermine le sens d'évolution : si Qr < K → évolution dans le sens direct (formation des produits) ; si Qr > K → évolution dans le sens indirect (formation des réactifs) ; si Qr = K → le système est à l'équilibre (pas d'évolution macroscopique). Le critère d'évolution : le système évolue toujours dans le sens qui fait tendre Qr vers K.
Une pile est un générateur électrochimique convertissant l'énergie d'une réaction spontanée en énergie électrique. Elle comprend deux électrodes plongées dans des solutions électrolytiques reliées par un pont salin ou une paroi poreuse. À l'anode (électrode négative de la pile), se produit une oxydation (le réducteur cède des électrons). À la cathode (électrode positive), se produit une réduction (l'oxydant accepte des électrons). Les porteurs de charges : à l'intérieur de la pile, les ions se déplacent (cations vers la cathode, anions vers l'anode) ; dans le circuit extérieur, les électrons vont de l'anode vers la cathode. La fém (force électromotrice) ε de la pile mesure la différence de potentiel en circuit ouvert. La tension aux bornes en circuit fermé est U = ε - r·I (r = résistance interne).
La loi de Faraday relie la quantité de matière transformée à l'électricité qui traverse le circuit. Pour une demi-réaction impliquant n électrons par entité : n(espèce) = q/(n×F) = I×t/(n×F), où q = I×t est la charge électrique (en Coulombs), F = 96 500 C/mol est la constante de Faraday (charge d'une mole d'électrons), I est l'intensité (en A) et t la durée (en s). Cette loi s'applique aussi bien aux piles qu'à l'électrolyse.
L'électrolyse est le processus inverse de la pile : on fournit de l'énergie électrique pour forcer une réaction non spontanée. Le générateur impose le sens du courant : à l'anode (électrode reliée au + du générateur), se produit une oxydation ; à la cathode (électrode reliée au −), se produit une réduction. Le courant conventionnel sort par l'anode vers le générateur. Applications : galvanoplastie (dépôt électrolytique de métaux), extraction de l'aluminium (électrolyse de l'alumine fondue), synthèse de dihydrogène et de dichlore (électrolyse de l'eau ou de NaCl(aq)), rechargement des accumulateurs.
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q = I×t = 0,5 × 7200 = 3600 C. n(Zn) = q/(2F) = 3600/(2×96500) ≈ 0,0187 mol. m(Zn) = 0,0187×65 ≈ 1,21 g. n(Cu) = 0,0187 mol. m(Cu) = 0,0187×64 ≈ 1,20 g.
Qr = [C][D]/([A][B]) = (2×2)/(0,5×0,5) = 4/0,25 = 16. Qr = 16 < K = 100 → le système évolue dans le sens direct (vers la formation de C et D).