Fiche de physique-chimie sur les transports à télécharger gratuitement.
Ce cours est un chapitre de Physique-Chimie du programme du tronc commun des Bacs Pros.
Une réaction d'oxydoréduction est une réaction chimique au cours de laquelle il y a un échange d'électrons entre l’oxydant et le réducteur.
- L’oxydant est celui qui capte les électrons, on dit qu’il est réduit. Une réduction est un gain d’électrons.
- Le réducteur est celui qui perd les électrons, on dit qu’il est oxydé. Une oxydation est une perte d’électrons.
Exemple : dans la réaction Cu + Cl2 → CuCl2 :
- Cu est un réducteur : Cu → Cu2+ + 2 e-
- Cl2 est un oxydant : Cl2 + 2 e- → 2 Cl-
Le potentiel d'oxydo-réduction est une grandeur qui mesure le pouvoir oxydant/réducteur des couples redox.
Quand on va dans le sens positif de E :
Par convention, le potentiel standard E° est mesuré par rapport au couple proton/hydrogène (H+/ H2), de potentiel nul. Exemple des couples oxydant-réducteur :
Oxydant |
E0 (V) |
Réducteur |
F2 |
+2,87 |
F- |
Cu2+ |
+0,34 |
Cu |
H3O+ |
0,00 |
H2 (g) |
Fe2+ |
-0,44 |
Fe |
Na+ |
-2.71 |
Na |
Si on compare les deux couples Cu2+/Cu et Fe2+/Fe :
- Cu2+ est un oxydant plus fort que Fe2+
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Règle de gamma
Pour prévoir le sens d'une réaction, on peut utiliser la règle de gamma (cf. Figure ci-contre): l'oxydant le plus fort (ici Ox2) réagira avec le réducteur le plus fort (ici Red1) pour donner un réducteur plus faible (Red2) et un oxydant plus faible (Ox1) :
Ox2 + Red1 → Red2 + Ox1.
Exemple : Cu2+ + Fe → Cu + Fe2+
Classement des métaux selon son pouvoir de réducteur
Li > Na > Mg > Ti > Al > Zn > Cr > Fe > Cd > Ni > Sn > Pb > Cu> Ag > Au
La corrosion désigne l'altération d'un métal par réaction chimique avec un oxydant. Dans la vie quotidienne, les oxydants les plus rencontrés sont le dioxygène, le cation H+ dans l’eau et les ions chlorure dans le sel.
Les méthodes pour protéger les métaux contre la corrosion
1/ Isoler la pièce de son environnement par les revêtements (peinture, film plastique, revêtement métallique comme le nickelage ou argenture ; l’Argent est un réducteur très faible, il ne réagit quasiment pas avec le dioxygène et donc protège le métal à l’intérieur).
2/ Mise en contact avec un métal plus réducteur, par exemple le Zinc ou le Magnésium. Ces métaux se corrodent à la place de la pièce à protéger.
3/ Protection cathodique : on relie le métal à protéger au pôle négatif d’un générateur et une anode sacrificielle au pôle positif.
Les piles ne sont pas rechargeables, alors que les accumulateurs le sont. En fait, les deux sont basés sur l’échange des électrons entre les couples oxydant-réducteur. Cette échange est irréversible pour les piles et réversible pour les accumulateurs.
Le fonctionnement d’une pile est basé sur une réaction d'oxydo-réduction entre un réducteur et un oxydant. Ils échangent les électrons et forment ainsi un courant.
Une pile du type cation métallique/métal est constitué par :
- une plaque de métal M plongeant dans une solution de son oxydant conjugué Mn+
- une plaque de métal M’ plongeant dans une solution de son oxydant conjugué M’p+
- Pour assurer l'équilibre des charges électriques, il faut relier les deux solutions à l'aide d'un pont salin. Un pont salin est un tube de gel qui permet au courant de passer sans que les deux solutions se mélangent.
Exemple : La pile Daniell est une pile qui fait intervenir deux couples redox : Zn2+/Zn et Cu2+/Cu :
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- Zn est un réducteur plus fort que Cu, donc il va céder ses électrons. La barre en Zn devient l’anode : Zn → Zn2+ + 2e-
- Cu2+ est un oxydant plus fort que Zn2+, donc il va capter les électrons. La barre en Cu devient la cathode : Cu2+ + 2e- → Cu
L’équation globale suit bien la règle de gamma : Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+
La Force électromotrice E
La f.é.m. de la pile est la différence des potentiels d’oxydoréduction entre les deux couples redox. Par exemple pour la pile Daniell :
- Potentiel standard Cu2+/Cu : 0.34V
- Potentiel standard Zn2+/Zn : -0.76V
Donc la force électromotrice est : E = 0,34 – (-0,76) = 1,10 V
La tension aux bornes d’une pile
La tension aux bornes de la pile est égale à la f.é.m. lorsque la pile ne débite pas de courant (tension à vide). Si la pile débite, la tension aux bornes de la pile Upile est plus petite que la f.e.m :
Upile = f.e.m - i . Rpile
Avec i le courant [A] et Rpile la résistance de la pile [Ω]
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Principe d’un accumulateur
Le fonctionnement d’un accumulateur est basé sur une réaction oxydo-réduction réversible.
- Lors de la décharge d’un accumulateur, il y a lieu la réaction oxydo-réduction, les électrons viennent de l’anode vers la cathode. La différence de charge entre les deux électrolyses diminue au fur et à mesure.
- Lors de la charge d’un accumulateur, on force le courant dans le sens inverse.
Un accumulateur se charge à l’aide d’un courant continu. Le générateur qui charge l’accumulateur doit délivrer une tension supérieure à celle-ci.
Si on utilise un alternateur, il faut redresser le courant, c’est-à-dire de le transformer en un courant électrique continu.
Pour redresser un courant alternatif, on utilise les diodes. Une diode est un composant électrique qui ne laisse passer le courant que dans un sens. Son symbole est :
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Redressement mono alternance
On utilise une seule diode qui permet de supprimer l'alternance négative du courant et conserve l'alternance positive. La courbe du haut représente la tension d'entrée et celle du bas la tension en sortie du redresseur. La tension redressée a la même fréquence que la tension d'entrée.
La tension de sortie obtenue après redressement constamment dans le même sens, mais elle n'est pas continue. Il faut en suite lisser le courant pour obtenir un courant continu.
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L'effet Venturi est un phénomène où il y a une dépression dans la zone où les particules de fluides sont accélérées.
Exemple : le débit dans un tube est toujours constant. S’il y a un rétrécissement, la section diminue, la vitesse des particules doit augmenter pour garder le même débit. Donc il y a une dépression au rétrécissement du tube.
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L’effet Venturi permet de faire voler un avion. L’aile de l’avion est design de manière que l’air en dessus (extrados) soit accéléré et crée donc une dépression. La différence de pression entre l’extrados et l’intrados est responsable de la portance de l’avion.
La force pressante F est une force répartie sur une surface. On appelle cette surface la surface pressée S. La pression P en un point est égale à la force pressante par unité de surface. Son unité dans le SI est le pascal (Pa) :
Si F est en newton (N) et S en mètre carré (m²) alors P en pascal (Pa)
Si F est en newton (N) et S en millimètre carré (mm²) alors P en méga pascal (MPa)
Les autres unités usuelles sont :
- Le bar : 1 bar = 105 Pa
- L’atmosphère normale : 1 atm = 101 325 Pa
La pression absolue est la pression mesurée par rapport au vide absolu, c'est-à-dire à l'absence totale de matière. Elle est toujours positive.
La pression relative (ou pression effective) est définit par rapport à la pression atmosphérique. Cette pression peut donc prendre une valeur positive ou négative : pabs = peffective + patm
Dans un fluide de masse volumique du ρ, la pression effective du point qui se situe à la profondeur h est calculée par :
Avec : ρ la masse volumique du fluide [kg/m3],
g l’accélération de la pesanteur [m/s2]
h la profondeur par rapport à la surface [m]
P la pression [Pa]
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La pression augmente avec la profondeur.
La pression dans un fluide est la même en tout point situé sur un plan horizontal.
La différence de pression entre deux points dans un fluide ne dépend que la différence de hauteur entre deux points :
pB - pA = ρgh
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La poussée d’Archimède est une force qui s’exerce sur tout corps plongé dans un fluide. Elle est toujours verticale, de sens du bas en haut et son intensité est égale au poids du volume de fluide déplacé :
F = ρ g V
Avec : ρ la masse volumique du fluide déplacé [kg/m3],
g l’accélération de la pesanteur [m/s2] et
V le volume du fluide déplacé [m3].
Quand un corps flotte, la poussée d’Archimède est égale au poids du corps. Pour déterminer expérimentalement la poussée, on mesure le volume du fluide déplacé V et calcule F par la formule F = ρ g V. On vérifie si cette force est bien égale au poids du corps.
Pour un corps donné, on a la poussée maximale F = ρfluidegVt avec Vt le volume total du corps (dans ce cas, le
corps est totalement immergé dans le fluide mais il ne coule pas) et son
poids
P = ρmatériau g Vt. Pour que le corps flotte, son poids doit être inférieur à la poussée
maximale, et donc sa masse volumique doit être inférieure à la masse volumique
du fluide.
L’équilibre d’un corps flottant dépend de la position relative entre le centre de gravité et le centre de poussée du corps :
- Le centre de gravité G est le point d’application du poids.
- Le centre de poussée C est le point d’application de la force de poussée d’Archimède. Il est en fait le centre de gravité du fluide déplacé.
1er cas : Le centre de poussée C se situe au dessus du centre de gravité G
Quand le corps subit une perturbation, il est écarté de sa position d’équilibre. Les points C et G ne sont plus alignés verticalement, les efforts créent donc un couple qui tend à ramener le corps dans sa position d’équilibre. L’équilibre est dit stable.
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2ème cas : Le centre de poussée C se situe au dessous du centre de gravité G
Si le corps est écarté de sa position d’équilibre, les efforts créent un couple qui tend à l’écarter encore plus. Le corps risque d’être renversé, l’équilibre est dit instable.
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