L’électrochimie est une branche de la science qui étudie de près les relations entre l’électricité et la chimie. Elle permet de décrire les phénomènes chimiques qui peuvent être liés à des échanges d’énergies électriques. Le domaine de l’électrochimie comprend les techniques et technologies de nombreuses recherches scientifiques d’antan. Ainsi, l’électrolyse, les piles à combustible, la corrosion, l’électrodéposition, les accumulateurs entrent en jeu en vue de dégager des résultats concrets. Mais ce domaine est également régi par des lois physiques, ou plutôt électrochimiques, que les scientifiques ont pu démontrer. A ce sujet, la loi de Nernst est citée parce qu’elle tient une place prépondérante dans le domaine de la chimie. Elle permet de calculer les réactions d’oxydoréduction. Quels sont alors les principes régisseurs de cette loi, les conditions auxquelles elle s’applique et son domaine d’application ?
Définition de la loi de Nernst
La loi de Nernst est une relation qui permet de calculer pour un couple, le potentiel (E) dans une réaction d’oxydoréduction ou redox. Elle est fonction de la température, de la concentration et des pressions de gaz. C’est une des lois fondamentales en matière d’électrochimie. Ce fut le célèbre chimiste Walther Nernst qui formula pour la première foi cette formule après avoir effectué de nombreux essais en 1889. Cette loi ne tient pas en considération les facteurs cinétiques pouvant intervenir au cours d’une réaction d’oxydoréduction.
Principes de la loi de Nernst
La loi de Nernst n’a d’effet que pour un couple donné. Il est possible de prévoir son potentiel (E) pendant une réaction redox. La valeur (E) est ce qui définit le pouvoir de chacun des éléments, les oxydants et les réducteurs. En électrochimie, la loi de Nernst conduit à l’équation de Nernst, qui fait référence à la tension d’équilibre (E) de l’électrode par rapport au potentiel standard (E0) du couple redox en question. Le but étant de déterminer le potentiel redox d’une électrode métallique, à condition qu’elle reste en équilibre.
Conditions nécessaires pour l’application de la loi de Nernst
Cette loi ne s’obtient que si certaines conditions sont réunies. Il faut ainsi que la concentration des ions présents dans la solution soit normale (selon la définition de Nernst), la pression de gaz parfaite selon la température absolue de 34°C et éventuellement un pH. En outre, si l’une de ces conditions n’est pas réunie, la loi de Nernst ne peut être valide. Pour la formule, il faut compter les annotations suivantes :
- E : potentiel en Volt
- E° : potentiel standard en Volt
- R : constante des gaz parfaits, (à 8,3144621 J·mol-1·K-1)
- T : température en Kelvin (K)
- a : activité chimique de l’oxydant et du réducteur
- F : constante de Faraday, (96 485 C mol−1 = 1 F)
- n : nombre d’électrons échangés,
- [ox] : activité chimique de l’oxydant,
- [red] : activité chimique du réducteur.
Concrètement, dans les conditions normales ou standards :
- La pression P est égale à 1 bar, P=1 bar
- La concentration de la solution est de 1 mol/L
- La température T est de 298K, T= 298K
En revanche, il y a un cas d’exception, puisque si les ions H+ interviennent dans la réaction, alors le potentiel (E) dépendra du pH et non des autres conditions précédemment citées.
Domaine d’application de la loi de Nernst
A noter également que la loi de Nernst peut s’appliquer à toutes les matières, c’est-à-dire les corps solides, liquides et gazeux. Aussi, la loi de Nernst est vérifiée seulement s’il y a équilibre. Par contre, s’il existe une réaction électrochimique sur l’électrode, l’équation de Nernst n’est à priori pas vérifiée.
La loi de Nernst s’applique dans plusieurs cas. D’abord, elle est utilisée pour définir la force électromotrice d’une pile, en démontrant la différence de potentiel entre les deux électrodes. Ensuite, elle sert à démontrer la constante d’équilibre des réactions d’oxydoréduction. Si la différence de potentiel calculée entre les couples redox d’une pile est nulle, l’échange d’électrons l’est également. Le système est à l’équilibre et il devient possible de calculer sa constante d’équilibre. Elle est aussi applicable dans la réalisation d’une pile de concentration, pour trouver la solubilité et le produit de solubilité d’une substance ionique donnée et pour l’électrode d’hydrogène et la détermination du degré d’acidité.
Résumé de la loi de la loi de Nernst
La loi de Nernst est une loi électrochimique qui implique le calcul du potentiel dans une réaction redox pour démontrer une relation pour un couple. Le calcul tient compte de plusieurs paramètres, comme la température, la concentration en ions et autres.
