-  L’équation de la réaction (1) : dissolution de l’aspirine

HA (s)  HA (aq)

-  Température : 25 ° C

-  Comprimé d’aspirine : m =  500 mg

-  Volume de la solution : V = 25 mL

-  Quantité de matière d’aspirine à l’état final en solution:

-  n_aq,f (HA) = 4,58 × 10^–4 mol

-  Tableau d’avancement de la réaction :

-  Quantité de matière d’aspirine solide à l’état initial :

-  Tableau d’avancement :

-  Avancement maximal :

-  x_max = n_s,i (HA)  ≈ 2,78 mmol =  2,78 × 10^–3 mol

-  Avancement final :

-  n_aq,f (HA) = x_ff

- Quantité de matière d'aspirine solide restante n_s,f (HA) à l'état final :

-  n_s,f (HA) = n_s,i (HA) – x_f

-  n_s,f (HA) ≈ 2,78 – 0,458

-  n_s,f (HA) ≈ 2,32 mmol

-  Taux d’avancement final τ de la réaction de dissolution :

-  Le taux d’avancement final d’une réaction, noté τ (tau), est le quotient de l’avancement final par l’avancement maximal :

τ  (tau)	Taux d’avancement final (sans unité)
xf	Avancement final (mol)
xmax	Avancement maximal (mol)

-   

-  La transformation n’est pas totale : τ < 1

2.  Quotient de réaction et constante d’équilibre :

a.  Expression et calcul du quotient de réaction Q_r1 à l’état final.

-  Q_r1 = [HA]_f

-   

b.  Valeur de  la constante d’équilibre K₁ à 25 ° C.

-  À l’état final, l’équilibre chimique est atteint :

-  K₁ = Q_r1 ≈ 1,8 × 10^–2.

c.  Liste des espèces présentes dans le système.

-  HA (s) et HA (aq) et le solvant H₂O (ℓ) 

►  Remarque :

-  En solution aqueuse, il se produit aussi la réaction acide-base suivante :

HA (aq) + H₂O (ℓ)   A^– (aq) + H₃O⁺ (aq)

-  Pour le moment, on néglige l’influence de cette réaction.

3.  Équation, notée (2), de la réaction acide-base.

HA (aq) + HO^– (aq) → A^– (aq) + H₂O (ℓ)  (2)

et

HA (s)  HA (aq) (1)

4.  Quotient de réaction :

a.  Évolution quotient de réaction Q_r1 lors de l’ajout de la solution d’hydroxyde de sodium.

-  Lors de l’ajout de la solution d’hydroxyde de sodium, l’acide acétylsalicylique réagit avec les ions hydroxyde HO^– (aq).

-  Ceci entraîne la dissolution de l’aspirine solide HA (s)

-  On déplace l’équilibre de la réaction (1) dans le sens direct.

-  Lorsque toute l’aspirine solide a disparue, la concentration en HA (aq) diminue ainsi que la quotient de réaction Q_r1 de la réaction (1).

b.  Sens d’évolution du système (1)

-  Comme le quotient de réaction Q_r1 de la réaction (1) diminue, il devient inférieur à la constante d’équilibre K de cette réaction.

-  Quand  Q_r1 < K.

-  Le système évolue spontanément dans le sens direct de l’écriture de la réaction.

-  À la suite de l’ajout de la solution d’hydroxyde de sodium, tout l’acide acétylsalicylique s’est dissous.

-  En conséquence, la réaction (1) devient totale.

-  Ceci est lié au fait que l’on élimine HA (aq) au fur et à mesure qu’il se forme grâce à la réaction (2).

HA (aq) + HO^– (aq) → A^– (aq) + H₂O (ℓ)  (2)

-  La réaction (2) étant totale, elle permet de déplacer l’équilibre de la réaction (1) dans le sens direct et

de la rendre totale si l’on verse suffisamment de solution d’hydroxyde de sodium.

6.  Interprétation de l’observation.

-  Lorsque l’on ajoute de l’acide chlorhydrique,

-  Il se produit la réaction acido-basique suivante :

A^– (aq) + H₃O⁺ (aq)  HA (aq) + H₂O (ℓ) 

-  Cette réaction entraîne l’augmentation de la concentration en HA (aq) dans la solution.

-  Elle entraîne donc l’augmentation du quotient de réaction de la réaction (1), Q_r1.

-  Quand Q_r1 > K, le système évolue spontanément dans le sens inverse de l’écriture de la réaction.

-  Ceci entraîne la précipitation de l’aspirine.

L'aspirine

-  Équations des réactions électrochimiques aux électrodes de la pile alcaline :

ZnO (s) + H₂O (ℓ) + 2 e^– → Zn (s) + 2 HO^– (aq)

MnO₂ (s) + H₂O (ℓ) + 1 e^– → MnO₂H (s) + HO^– (aq)

-  Les couples oxydant / réducteur :

-  ZnO (s) / Zn (s)

-  MnO₂ (s) / MnO₂H (s)

-  Les différentes espèces chimiques

-  MnO₂H (s) ou MnO(OH) (s) :

-  L’hydroxyde d’oxyde de manganèse (manganite) est une espèce minérale composée

 d'oxyde hydroxylé de manganèse de formule MnO(OH) (s) (écriture qui met en évidence l’ion hydroxyde HO^– présent dans le cristal).

-  MnO₂ (s) : Le dioxyde de manganèse.

-  Comme le dioxyde de manganèse n’est pas conducteur, on utilise un mélange de dioxyde de manganèse et de carbone en poudre (graphite).

-  La pile alcaline, zinc-dioxyde de manganèse (Zn-MnO₂), est le modèle le plus courant.

-  On l'appelle pile alcaline par abus de langage.

-  Son nom est lié au fait que l'on plonge les électrodes de zinc et d'oxyde de manganèse dans une solution gélifiée de potasse (hydroxyde de potassium : solution alcaline).

-  La solution d’hydroxyde de potassium (potasse) contient des ions potassium K⁺ (aq) et des ions hydroxyde HO^– (aq).

-  Schéma de la pile bouton :

2.  Pile alcaline bouton :

-  Les constituants de la pile alcaline bouton ne doivent pas être en contact.

-  Ainsi le transfert spontanée des électrons est indirect.

-  On peut alors transformer de l’énergie chimique en énergie électrique.

3.  Équation de la réaction de fonctionnement de la pile.

-  Schéma simplifié de la pile :

-  Branchement du voltmètre :

-  La borne COM d’un voltmètre est reliée à l’électrode de carbone (C + MnO₂)

-  La borne V_DC est reliée  à l’électrode de zinc (Zn).

-  Comme la tension mesurée U est négative (U = – 1,5 V)

-  L’électrode de carbone (C + MnO₂) constitue la borne positive de la pile.

-  L’électrode de zinc (Zn) constitue la borne négative de la pile.

-  Les électrons circule, dans le circuit électrique, de l’électrode de zinc vers l’électrode de carbone (C + MnO₂).

-  Les électrons qui partent de l’électrode de zinc sont libérés par la réaction suivante :

Zn (s) + 2 HO^– (aq) → ZnO (s) + H₂O (ℓ) + 2 e^–

-  Les électrons qui arrivent à la borne de carbone (C + MnO₂) sont consommés par la réaction suivante :

MnO₂ (s) + H₂O (ℓ) + 1 e^– → MnO₂H (s) + HO^– (aq)

-  Lorsque la pile débite du courant électrique, des réactions chimiques se produisent au niveau des électrodes.

-  Le bilan des réactions chimiques (réactions électrochimiques) qui se produisent à chacune des électrodes de la pile donne l’équation de la réaction chimique :

-  Équation de la réaction :

-  Lors du fonctionnement de la pile, il se produit la réaction suivante :

-  Les réactifs sont : le zinc métal, Zn (s) et le dioxyde de manganèse solide MnO₂ (s).

-  Quantités de matière des réactifs :

-  Quantité de matière n₁ de zinc :

-  Quantité de matière n₂ de dioxyde de manganèse :

-  Recherche du réactif limitant : on considère que la réaction est totale :

-  Tableau d’avancement réduit de la réaction : on ne fait intervenir que les réactifs.

-  Valeur de l’avancement maximal : x_max

-  Comme, on est en présence de deux réactifs, on peut émettre deux hypothèses.

-  Hypothèse 1 : On considère que le réactif limitant est Zn (s) :

-  1,53  – x_max1 = 0  =>  x_max1 ≈ 1,53 mmol

-  Hypothèse 2 : On considère que le réactif limitant est MnO₂ (s) :

-  3,45 – 2 x_max2 => x_max2 ≈ 1,73 mmol

-  Le réactif limitant est le zinc, Zn (s) 

-  x_max = x_max1 ≈ 1,53 mmol <  x_max2

►  Capacité électrique d’une pile :

-  La capacité électrique d’une pile est la charge électrique maximale Q_max que la pile peut débiter durant sa durée de vie.

►  Remarque :

-  La quantité maximale n (e^–)_max d’électrons échangés se détermine à partir de la quantité du réactif limitant.

-  Il faut utiliser la demi-équation électronique relative au couple ZnO (s)  / Zn (s)

-  En conséquence : n (e^–)_max  = 2 x_max

-  Q_max = n (e^–)_max . N_A . e

-  Q_max = 2 x_max . N_A . e

-  Q_max = 2 × 1,53 × 10^–3 × 6,02 × 10²³ × 1,60 × 10^–19  (mol . mol^–1 . C)

-  Q_max ≈ 2,947 × 10² C

-  Q_max ≈ 295 C

5.  Énergie  électrique stockée pour « 1 g de pile alcaline ».

-  Tableau :

-  Configuration électronique d’un atome de lithium : 1s² 2s¹.

-  Il appartient à la première colonne de la classification périodique.

-  Il a tendance à céder un électron pour obtenir la configuration électronique du gaz rare qui le précède (l’hélium : He).

-  C’est le réducteur du couple Li⁺ (aq) / Li (s).

-  Tableau réduit :

-  On peut remplacer l’élément lithium par l’élément sodium ou potassium.

-  Ils appartiennent à la même famille : les métaux alcalins

-  Éléments de la première colonne de la classification périodique.

7.  Les piles au lithium sont les piles boutons les plus utilisées.

-  Tableau comparatif :

Pile lithium – ion :

-  Les piles au lithium ont l’énergie par unité de masse la plus élevée.

-  Elles possèdent une grande capacité électrique.

-  On arrive à stocker plus d’énergie électrique pour un même volume.

-  De plus la tension aux bornes d’une pile au lithium est élevée. Elle est de 3,0 V

-  Elles ont une durée de vie plus longue que les piles alcalines (15 ans pour les piles au lithium et 7 ans pour les piles alcalines).

-  Mais elles sont plus chères car le lithium est un élément rare.