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De la même façon, les électrons se déplacent d'une région à fort potentiel vers une région à faible potentiel. Si la différence de pression est ce qui fait passer l'eau des réservoirs d'eau de surface à tes robinets, alors la différence de potentiel aux deux électrodes fait passer les électrons d'un potentiel élevé à un potentiel faible. Ce flux d'électrons est l'électricité/le courant.
Dans cet article, nous allons explorer la force électromotrice, qui n'est rien d'autre que la différence de potentiel maximale entre les électrodes.
- Cet article traite de la mesure de la FEM.
- Nous te présenterons la définition de la force électromotrice sous l'angle de la chimie, ainsi que la forme d'expression la plus simple utilisée pour la calculer, à l'aide d'un exemple.
- Nous passerons en revue les unités de la force électromotrice.
- Nous t'expliquerons ensuite quels sont les appareils qui mesurent la force électromotrice.
- Nous t'expliquerons ensuite un autre phénomène - la force contre-électromotrice.
- Nous conclurons par les applications de la mesure de la force électromotrice en chimie.
Définition de l'EMF
EMF est l'abréviation de force électromotrice. Bien que le nom contienne force , il ne s'agit en fait pas d'une force, mais d'une forme d'énergie. Examinons la définition de la FEM du point de vue de la chimie.
Laforce électromotrice est définie comme la différence maximale entre les potentiels des électrodes[1] de deux électrodes d'une cellule. La force électromotrice est désignée par E. La force électromotrice est parfois appelée tension.
\( E_{cell} = E_{Cathode} - E_{Anode} \)
EMF dans des conditions standard - l'EMF standard est :
\N(E^ \Ncirc_{cell} = E^ \Ncirc_{Cathode} - E^ \Ncirc_{Anode} \N)
As-tu remarqué la force électromotrice inscrite sur les piles AA ? 1,5 V est la force électromotrice d'une pile AA.
Calcule la tension de la pile suivante dont les potentiels de réduction des demi-cellules sont :
\N(Ag^+ | Ag = +0,80 V \N) et \N(Zn | Zn^{+2} = -076V \N).
Solution :
L'équation issue de la définition est :
\( E_{cell} = E_{Cathode} - E_{Anode} \)
Comme l'oxydation a lieu à l'anode, le potentiel de réduction du zinc représente la demi-réaction à l'anode où le zinc est oxydé de \(Zn (0) \N à \N(Zn (+2) \N). De même, le potentiel de réduction de l'Ag représente la demi-réaction de réduction.
En introduisant les valeurs,
\N( E_{cell} = 0,80 - (-0,76) \N)
Nous obtenons ,
\N( E_{cell} = 1,56 V\N)
Qu'est-ce que le potentiel d'électrode ?
Pour comprendre ce que c'est, récapitulons d'abord les processus qui se produisent à chaque électrode.
Fig. 1 : Cellule de Daniel.
L'image ci-dessus représente une cellule de Daniel, un exemple de cellule voltaïque. Tu sais déjà, grâce à l'article- Les cellules électrochimiques, ce qui se passe et comment l'électricité est générée. Reprenons les points principaux pour comprendre le potentiel de l'électrode.
Le zinc, plongé dans du sulfate de zinc, constitue la demi-cellule anodique. Les atomes du métal zinc perdent des électrons qui passent à travers le fil et atteignent la cathode où l'ion cuivre de l'électrolyte accepte ces électrons. C'est la réaction ionique nette.
Ainsi, le zinc, en perdant des électrons, s'oxyde et se transforme en son cation - \(Zn^{+2}\) . Il s'agit d'une réaction d'oxydation et de demi-réaction. (Ces cations de zinc sautent dans l'électrolyte).
Lorsque le zinc s'oxyde en cations de zinc, une séparation de charge se produit entre l'électrode et l'électrolyte. Cette séparation de charge entraîne une différence de potentiel entre l'électrode et l'électrolyte, appelée potentiel d'électrode simple. Ainsi, la tendance d'une électrode à générer une différence de potentiel entre elle-même et l'électrolyte est appelée le potentiel d'électrode simple de la demi-cellule ( \(Zn\) dans \(ZnSO_4\) ).
De même, les ions cuivre (+2) sont réduits en atomes de cuivre (0), ce qui constitue une demi-réaction de réduction. (Le cuivre réduit se dépose maintenant sur l'électrode de cuivre.) Il en résultera une différence de potentiel dans cette demi-cellule cathodique entre l'électrode et l'électrolyte.
En termes simples,
La tendance d'uneélectrodemétallique à s'oxyder ou à se réduire, entraînant une différence de potentiel entre l'électrode et l'électrolyte, est appelée potentiel d'électrode/potentiel d'électrode simplede cette demi-cellule.
La tendance à l'oxydation du métal à l'anode est appelée potentiel d'oxydation, tandis que la tendance à la réduction du métal à la cathode est appelée potentiel de réduction. Si le potentiel d'électrode est mesuré dans des conditions standard, il est appelé potentiel d'électrode standard .
Ce potentiel de réduction est le potentiel de réduction standard. Les potentiels de réduction standard sont calculés en plaçant la demi-cellule dont le potentiel de réduction est inconnu contre l'électrode de référence dont le potentiel de réduction est considéré comme nul. L'électrode standard à hydrogène (SHE) est l'électrode de référence la plus couramment utilisée.
Le potentiel de cette électrode standard correspond à la force électromotrice de cette demi-cellule. La différence entre les potentiels d'électrode des demi-cellules est la force électromotrice totale de la cellule, également appelée potentiel de la cellule, E ou \( \epsilon \).
La force électromotrice, moteur du flux d'électrons
Pour que les électrons circulent, il faut qu'il y ait une certaine énergie qui les propulse vers l'avant. La différence entre les potentiels des électrodes - la différence de potentiel, ou la force électromotrice totale de la cellule, fait circuler les électrons .
Comment la force électromotrice fait-elle circuler les électrons ?
Les électrons contiennent de l'énergie potentielle. Lorsque le nombre d'électrons augmente, l'énergie potentielle globale augmente, ce qui fait de la demi-cellule anodique une région à haute énergie potentielle (PE).[2] En outre, l'accumulation d'électrons entraîne des répulsions et les électrons veulent simplement s'éloigner de cette région. En revanche, la région de la cathode manque d'électrons et donc d'énergie potentielle - la cathode est donc une région à faible énergie potentielle[2].
Cette différence de potentiel (haut vs bas) entraîne le déplacement des électrons de l'anode (haut PE) à la cathode (bas PE), tout comme dans une chute d'eau où l'eau de la haute pression s'écoule vers la région de basse pression. Ce flux d'électrons génère de l'électricité, comme nous l'avons vu dans l'introduction.
Cette différence de potentiel est le moteur du mouvement des électrons et de la production d'électricité. La FEM est la différence entre les différences de potentiel individuelles (potentiels d'électrode/potentiels de réduction) des deux électrodes. Tout comme la différence entre les masses est une masse mesurée en grammes, la différence entre les différences de potentiel individuelles est une différence de potentiel mesurée en volts.
Par conséquent, \(E_{Cathode}- E_{Anode\} \) nous donne la force électromotrice de cette cellule.
Le voyage des électrons en termes de potentiel de réduction
Ce concept d'énergie potentielle ne doit pas être confondu avec les potentiels des électrodes. L'anode a un faible potentiel d'électrode - ce qui signifie un faible potentiel de réduction - et c'est la raison pour laquelle le métal à l'anode ne veut pas être réduit, mais veut s'oxyder. Il veut donc expulser les électrons. D'autre part, la cathode a un potentiel d'électrode élevé - ce qui signifieun potentiel de réduction élevé - et c'est pourquoi elle attrape les électrons entrants.
Fig. 2 : Représentation d'une anode et d'une cathode.
Pour décrire le voyage des électrons en termes de potentiel de réduction, nous pouvons dire que dans une cellule galvanique, les électrons voyagent d'une région à faible potentiel (anode) à une région à fort potentiel (cathode) - [d'une région où la tendance à la réduction est faible à une région où la tendance à la réduction est élevée].
Une demi-cellule est une tige métallique (appelée électrode) plongée dans une solution de ses ions métalliques (appelée électrolyte). Il est important de noter qu'il est impossible de mesurer le potentiel absolu d'une électrode simple/le potentiel de réduction d'une électrode. Il est toujours mesuré de manière relative, c'est-à-dire à l'aide d'une électrode de référence standard comme SHE.
Unités de mesure de l'EMF
La force électromotrice est mesurée en volts (l'unité SI). En physique, la force électromotrice est également décrite comme le travail effectué - mesuré en joules - pour déplacer une unité de charge - en coulomb - d'un point à l'autre.
Ainsi, Volt, \ (V = \frac{W} {Q} \)
Où :
- W = Travail effectué = J
- Q = charge unitaire = Coulomb
$$V=\frac{J}{C}$$$
Le volt est également l'unité du potentiel de réduction standard.
Appareils de mesure des champs électromagnétiques
Deux appareils sont utilisés pour mesurer la force électromotrice : le potentiomètre et le voltmètre.
En général, on préfère le potentiomètre au voltmètre parce que le potentiomètre ne tire pas de courant du circuit pour mesurer la force électromotrice et ne perturbe donc pas le circuit. Le voltmètre, quant à lui, tire un certain courant du circuit pour mesurer la force électromotrice. Le potentiomètre est donc plus fiable et plus précis que le voltmètre, mais il est en même temps plus cher que ce dernier, ce qui est un inconvénient.
Fig. 3 : Photo d'un voltmètre | Wikimedia Commons
Mesure des CEM dorsaux
Le nom lui-même nous donne quelques informations sur ce type de CEM. La Back EMF ou FEM arrière est cette différence de potentiel qui va à l'encontre de la tension appliquée/femme réelle, que l'on peut définir comme suit :
"La force électromotrice opposée qui est générée dans un électrolyte lorsque les produits de l'électrolyse (gaz ou ions gazeux) sont adsorbés à la surface des électrodes est connue sous le nom de force électromotrice inverse ou force électromotrice arrière ou contre-électromotrice."[3]
Le meilleur exemple pour expliquer la force contre-électromotrice est celui d'une cellule d'électrolyse contenant des électrodes de platine plongées dans une solution d'acide sulfurique. Nous savons ce qui se passe lors de l'électrolyse de l'eau acidifiée. L'hydrogène gazeux évolue à la cathode, tandis que l'oxygène gazeux évolue à l'anode. Une tension externe (CEM par l'intermédiaire d'une batterie) est appliquée pour entraîner cette réaction, car elle n'est pas spontanée.
Au bout d'un certain temps, l'électrolyse s'arrête à cause de l'adsorption des gaz à la surface des électrodes. Cela provoque une force contre-électromotrice qui, lorsqu'elle dépasse la tension externe appliquée, entraîne l'arrêt de l'électrolyse. Pour surmonter cette contre-attaque, nous devons augmenter lentement la tension externe. Lorsque cette tension externe dépasse à nouveau la force contre-électromotrice, l'électrolyse se poursuit sans problème.
Applications de la mesure de la force électromotrice
Il existe plusieurs applications de la mesure de la force électromotrice. Nous te donnons ici une liste de quelques applications significatives :
- La constante d'équilibre d'une réaction en demi-cellule peut être déterminée en mesurant la force électromotrice.
- L'énergie libre de Gibb.
- Le produit de solubilité d'un sel peu soluble peut être déterminé.
- La valence du nombre d'électrons transférés dans une réaction de demi-cellule peut être déterminée.
- Énergie libre.
- \(p^H\) d'une solution peut être évaluée.
- Laspontanéité d'une réaction électrochimique peut être déterminée. Si le potentiel de la cellule est positif, il s'agit d'une réaction spontanée (de la cellule galvanique). Si le potentiel de la cellule est négatif, il s'agit d'une réaction non spontanée (de la cellule électrolytique).
Voilà qui conclut le sujet de la mesure de la force électromotrice. Dans cet article, nous avons expliqué ce qu'est la force électromotrice et comment elle est responsable du flux d'électrons et, par conséquent, de la production d'électricité. Maintenant, tu as peut-être compris le concept qui se cache derrière les piles que tu utilises dans la vie de tous les jours.
Mesurer la force électromotrice - Principaux points à retenir
- La force électromotrice est définie comme la différence maximale entre les potentiels des électrodes[1]de deux électrodes d'une cellule. La force électromotrice est désignée par E. La force électromotrice est parfois appelée tension.
\( E_{cell} = E_{Cathode} - E_{Anode} \)
Les électrons circulent de l'anode (à faible potentiel de réduction) à la cathode (à fort potentiel de réduction).
La FEM est la différence de potentiel qui se produit en raison de la séparation des charges. Cette différence de potentiel est le moteur du mouvement des électrons.
La différence de potentiel générée à l'interface électrode/électrolyte donne la FEM de cette demi-cellule qui est également appelée potentiel d'électrode ou potentiel de réduction de cette demi-cellule. Le potentiel de la cellule est la différence entre les potentiels des électrodes des deux demi-cellules.
La force électromotrice peut être mesurée à l'aide de deux appareils appelés potentiomètre et voltmètre.
Les unités de la force électromotrice sont les volts ou les joules/coulomb.
"La force électromotrice opposée générée dans un électrolyte lorsque les produits de l'électrolyse (gaz ou ions gazeux) sont adsorbés à la surface des électrodes est connue sous le nom de force contre-électromotrice, force arrière ou contre-électromotrice."[3]
Références
- https://goldbook.iupac.org/terms/view/E01974
- https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Analytical_Chemistry/Supplemental_Modules_(Chimie_analytique)/Electrochimie/Bases de l'électrochimie
- http://engineeringslab.com/tutorial_electrical/back-emf-or-polarisation-potential-1589.htm
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