Les piles

Module
CHIMIE
Leçon 14 : LES PILES
Introduction
Nombre de pages : 9
Dans une pile, il y a transfert indirect d’électrons d’un réducteur ver un oxydant,
par l’intermédiaire d’un circuit électrique extérieur.
Les piles sont des générateurs électrochimiques, dans lesquels l’énergie est stockée
sous forme chimique et peut être restituée spontanément au milieu extérieur sous
forme d’énergie électrique.
I – Transferts d’électrons
A. Transferts spontanés directs
Lorsque les espèces chimiques participant à une réaction d’oxydoréduction en
solution aqueuse sont mélangées, il se produit un transfert spontané et direct
d’électrons du réducteur vers l’oxydant.
Exemple : réaction entre le métal zinc et une solution de sulfate de cuivre.
La transformation peut être décrite par l’équation chimique suivante :
Les transformations subies par les éléments cuivre et zinc peuvent être
schématisées de la façon suivante :
Il y a transfert spontané et direct d’électrons entre le réducteur Zn (s) et l’oxydant
Cu 2+ (aq.)
B. Transferts spontanés indirects
Lorsque les espèces chimiques participant à une réaction d’oxydoréduction sont
séparées, on peut réaliser un transfert spontané et indirect d’électrons du
réducteur vers l’oxydant, par l’intermédiaire d’un conducteur métallique.
Les piles fonctionnent sur ce principe.
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C. Constitution d’une pile
Une pile est constituée de deux compartiments séparés (demi-piles), qui
comportent chacune une électrode, et d’une jonction électrochimique, reliant les
demi-piles.
1. Demi-pile et électrode :
Dans une demi-pile, on place les espèces chimiques constituant un des
couples oxydant/réducteur mis en jeu.
Une demi-pile est généralement formée d’une solution électrolytique
contenant un cation M n+ et d’une partie solide, appelée électrode, constituée
du métal M, plongeant dans la solution.
Le cation M n+ et le métal M appartiennent au couple oxydant/réducteur M n+
(aq)/M (s).
2. Jonction électrochimique :
La jonction électrochimique permet d’établir une liaison électrique entre les
deux demi-piles, tout en évitant le mélange de leurs solutions.
Elle peut être constituée par une paroi poreuse ou par un pont salin.
Un pont salin est un tube en U contenant une solution électrolytique gélifiée,
dans laquelle les ions peuvent migrer.
3. Exemple :
II – Processus en jeu dans une pile
A. Expérience
Si on relie les électrodes par un circuit électrique comprenant un ampèremètre et
une résistance R en série, l’ampèremètre indique le passage d’un courant
électrique.
On dit que la pile débite.
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L’intensité du courant dépend de R et de la nature de la pile.
Le circuit électrique métallique extérieur joue le rôle d’intermédiaire pour le
transfert d’électrons du réactif réducteur présent dans une demi-pile et le réactif
oxydant dans l’autre demi-pile.
Le sens du courant affiché par l’ampèremètre est l’opposé de celui de déplacement
des électrons.
B. Réactions d’électrode
Dans chaque demi-pile, un processus d’oxydation ou de réduction a lieu sur
l’électrode.
Il est nommé réaction d’électrode.
L’électrode qui est le siège d’une réduction est appelée cathode.
L’électrode qui est le siège d’une oxydation est appelée anode.
On dit qu’il y a oxydation anodique et réduction cathodique.
Si une pile met en jeu le couple ox1/red1 dans une demi-pile et le couple ox2/red2
dans l’autre, une transformation spontanée est possible entre les espèces ox1et
red2.
Les réactions d’électrode ont alors pour équation :
C. Réactions de piles
Les deux équations des réactions d’électrodes peuvent être combinées pour obtenir
l’équation modélisant le fonctionnement global de la pile, appelée réaction de
pile :
Cette équation est identique à celle qui est associée à la transformation ayant lieu
lorsque les espèces chimiques sont mélangées.
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Pour toutes les piles étudiées, la transformation associée à la réaction est supposée
totale.
D. Exemple
La pile zinc-cuivre ou pile Daniell est constituée de 2 demi-piles :
la première contient une solution de sulfate de zinc dans laquelle plonge une
lame de zinc ;
la deuxième contient une solution de sulfate de cuivre dans laquelle plonge
une lame de cuivre.
La borne d'entrée du voltmètre est reliée à la lame de cuivre, l'autre borne est
reliée à la lame de zinc.
La tension mesurée est alors, par exemple de 1,1 V.
E. Mouvement des porteurs de charge
Pour que la pile puisse débiter, il faut qu’il y ait une chaîne continue de conducteurs
dans lesquels circulent des porteurs de charge.
Lorsque la pile débite, les porteurs de charges sont de deux sortes :
électrodes et circuit extérieur à la pile : ce sont des électrons qui
circulent dans les fils et dans les conducteurs de la borne négative vers la
borne positive (le sens conventionnel du courant est alors de la borne
positive vers la borne négative) ;
pont salin et solutions électrolytiques : ce sont des ions qui se
déplacent dans le pont salin et solutions électrolytiques ; le mouvement des
ions dans le pont salin est tel que les solutions restent électriquement
neutre, dans la demi-pile qui s'enrichit en cations (électrode négative) le
pont salin apporte de anions et dans la demi-pile qui s'appauvrit en cations
(électrode positive) le pont salin apporte des cations.
Exemple, dans la pile Daniell :
le compartiment cathodique s’appauvrit en ions Cu 2+ : il y a migration d’ions
K + du pont salin pour rétablir l’électroneutralité ;
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dans le compartiment anodique, il y a enrichissement en ions Zn 2+
compensée par une migration d’ions Cl- du pont salin pour rétablir
l’électroneutralité.
III – Représentation formelle d’une pile
Deux cas peuvent se présenter :
A. Cas où les couples mis en jeu sont tous les deux de la forme
M n+ /M (où M est un métal qui joue le rôle d’électrode)
La représentation formelle de la pile est obtenue en plaçant la borne négative à
gauche et en indiquant les espèces chimiques rencontrées dans la pile. Le pont
salin est représenté par une double barre.
La simple lecture du symbole fournit :
la nature des couples oxydant/réducteur mis en jeu ;
les pôles de la pile ;
la nature de l’anode et de la cathode ;
le sens de déplacement des porteurs de charge.
B. Cas où les couples mis en jeu ne font pas apparaître de métal
Les électrodes sont alors constituées d'un conducteur inerte (en général le platine
Pt ou le carbone).
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IV – Caractéristiques électriques d’une pile
A. Pôles
Une pile peut être considérée comme un générateur électrique continu.
Le pôle + ou borne positive de la pile correspond à la cathode.
Le pôle - ou borne négative de la pile correspond à l’anode.
B. Force électromotrice
Si la résistance du circuit électrique reliant les électrodes est très grande, l’intensité
du courant débité par la pile est négligeable.
La résistance d’un multimètre réglé en voltmètre est de l’ordre de
Si on branche un voltmètre aux bornes de la pile, la pile ne débite pas et le
voltmètre mesure la force électromotrice (fém) de la pile.
La différence de potentiel mesurée aux bornes d’une pile lorsque celle-ci ne débite
pas est sa fém notée E.
La fém est un paramètre électrique caractéristique d’une pile.
La valeur de la fém d’une pile est fonction de la réaction de la pile, donc de la
nature des couples oxydant/réducteur mis en jeu, ainsi que des concentrations des
espèces chimiques réactives en solution.
V – Quantité d’électricité débitée
A. Définition du faraday
Le faraday (F) est la valeur absolue de la charge d’une mole d’électrons :
B. Quantité d’électricité débitée à un instant t
On appelle quantité d’électricité Q débitée entre l’instant t = 0 et l’instant t la
valeur absolue de la charge totale des électrons échangés entre ces deux instants.
Si l’intensité I du courant débité par la pile est constante, on peut écrire la
relation :
Q s’exprime en coulombs (C), I en ampère (A) et t en secondes (s).
Si une quantité d’électricité Q est débitée, alors la quantité de matière ne-
d’électrons transférés de l’anode à la cathode est :
On considère un processus d’oxydation ou de réduction à une électrode, mettant en
jeu un couple oxydant/réducteur ox/red, de demi-équation ox + n e - = red
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Si, par exemple, le couple ox/red participe à la réaction cathodique, l’équation
associée s’écrit :
Pour construire le tableau descriptif de cette réaction d’électrode, on ajoute une
colonne ne- indiquant la quantité de matière d’électrons ayant participé à la
réduction.
L’avancement, noté x est relatif à cette réaction d’électrode.
C. Quantité maximale d’électricité débitée
La quantité d’électricité débitée par une pile entre l’état initial et l’état final du
système constituant la pile est la quantité d’électricité maximale Qmax pouvant être
débitée par la pile.
Pour déterminer Qmax, il est nécessaire de déterminer quel est le réactif limitant de
la pile.
Pour cela, il est nécessaire de dresser un tableau descriptif relatif à la réaction de la
pile.
Si, par exemple, ox1 est le réactif limitant, en déterminant xmax, l’avancement
maximal de la réaction cathodique, on peut en déduire la valeur de Qmax :
La durée de vie d’une pile est une fonction croissante de Qmax. la quantité
d’électricité maximale est donc une caractéristique de la pile intéressante.
Selon les caractéristiques du circuit l’intensité du courant sera plus ou moins
grande. D’après la relation Q = I t, la durée de vie d’une pile diminue lorsque
l’intensité du courant augmente.
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D. Exemple
La pile au cuivre et au zinc.
Elle est réalisée en associant par un pont salin deux demi-piles :
l'une est constituée d'un bécher contenant 50 mL d’une solution aqueuse de
sulfate de zinc (II) de concentration 0,1 mol L -1 dans laquelle est plongée
une lame de zinc.
l'autre est constituée d'un bécher contenant 50 mL d’une solution aqueuse
de sulfate de cuivre (II) de concentration 0,1 mol L -1 dans laquelle est
plongée une lame de zinc.
le pont salin est un tube en U rempli d’un gel au sein duquel des ions
potassium K + et chlorure Cl - peuvent migrer.
Si on relie les électrodes par un circuit électrique comprenant un ampèremètre et
une résistance R en série, l’ampèremètre indique le passage d’un courant
électrique : la pile débite.
Tableau d’avancement et bilan de la réaction de pile :
Les réactif sont dans les proportions stœchiométriques de la réaction.
Tableau d’avancement et bilan de la réduction cathodique :
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VI – La pile Leclanché
La pile Leclanché est un exemple de pile usuelle.
A. Coupe de la pile
B. Description
Le pôle négatif est constitué par le zinc métallique Zn qui est en contact avec du
chlorure de zinc ZnCl2 en solution aqueuse gélifiée Zn 2+ + 2Cl - . Cet ensemble met
en jeu le couple Zn 2+ /Zn.
L'électrolyte est une solution acide et gélifiée de chlorure d'ammonium NH4 + + Cl - .
Le pôle positif est un bâton de graphite (carbone). C'est une électrode inerte (ne
participe pas à la réaction). Cette électrode est au contact du dioxyde de
manganèse qui est l'oxydant du couple MnO2/MnO(OH).
Des grains de graphite assurent une meilleure conduction.
C. Demi-équations rédox aux électrodes bilan électrochimique
Cette pile a une force électromotrice voisine de 1,5V. Le réactif en défaut est le
dioxyde de manganèse.
D. Remarques
Cette pile est dite « sèche » car elle ne contient pas de solution aqueuse mais un
gel qui évite à la pile de couler.
L'électrolyte du pont salin (paroi poreuse) qui assure le passage du courant est un
sel (produit de l'action d'un acide sur une base). Pour cette raison la pile est dite «
pile saline ».
Dans un autre type de piles dites « piles alcalines » l'électrolyte est basique
(alcalin), par exemple une solution gélifiée d'hydroxyde de potassium (K + + HO - ).
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