Les piles
I. Transfert spontan´ e d’´ electrons
1. Transfert spontan´ e direct
Exp´erience:
On introduit une lame de zinc Zn(s) et une lame de cuivre Cu(s) dans un m´elange de solutions de sulfate de zinc et de sulfate de cuivre tel que[Zn2+]i = [Cu2+]i.
On constate qu’il ne s’est rien pass´e sur la lame de cuivre et un d´epˆot rouge cuivre s’est form´e sur la lame de zinc.
interpr´etation:
l’´equation de la r´eaction estCu2+(aq) + Zn(s) ÝÑCu(s) + Zn2+(aq).
Sa constante d’´equilibre estK1,9.1037.
A l’´etat initial, le quotient de r´eaction est` Qr, irZn2 si
rCu2 si 1.
Qr,i !K donc le syst`eme chimique ´evolue spontan´ement dans le sens direct.Les ´electrons n’existent pas en solution aqueusedonc le transfert d’e- entre Zn et Cu2+ se fait parcontact:la r´eaction a lieu `a la surface de contact entre la lame de zinc et la solution qui contient Cu2+.
2. Transfert spontan´ e indirect
Exp´erience : pile Daniell
Chaque b´echer contient les deux esp`eces d’un couple oxydant/r´educteur.
D´ efinitions :
Une demi-pile est l’ensemble constitu´e par les deux esp`eces d’un couple Ox/Red.
Une pile comporte toujours deux demi-piles dont les ´electrolytes sont reli´ees par un conducteur ionique (pont ´electrolytique ou vase poreux).
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Pour qu’une pile fonctionne, il faut que les lames m´etalliques, appel´ees ´electrodes, soient reli´ees par une suite continue de conducteurs m´etalliques.
On constate qu’un courant d’intensit´e I traverse la r´esistance R en allant de la lame Cu vers la lame Zn.
Interpr´etation :
Les lames m´etalliques, les fils de jonction, l’amp`erem`etre, la r´esistance R sont parcourus par des´electrons libres qui se d´eplacent en sens inverse du courant.
Les solutions ioniques sont le si`ege d’un double d´eplacement d’ions.- lesanionsse d´eplacent vers l’anode, en sens inverse du courant
- lescationsse d´eplacent vers lacathode, dans le sens du courant.
Au niveau de la lame de Zn, des ´electrons sont donn´es au circuit par oxydation des atomes de Zn : Zn(s) = Zn2+(aq) + 2e-
Au niveau de la lame de Cu, des ´electrons venant du circuit sont consomm´es par r´eduction des ions Cu2+: Cu2+ + 2e- = Cu(s)
Ainsi,l’´echange d’´electrons entre Zn et Cu2+ se fait de fa¸con indirecte, par l’interm´ediaire du circuit ext´erieur.
C’est `a la surface des ´electrodes que se font les ´echanges d’´electrons.
Le bilan de cet ´echange estCu2+(aq) + Zn(s) ÝÑ Cu(s) + Zn2+(aq).
L’´evolution du syst`eme se fait dans le sens direct sans contact entre les r´eactifs, mais la boucle conductrice doit ˆetre ferm´ee.
II. Constitution et fonctionnement d’une pile
1. Constitution d’une pile
Une pile est constitu´ee de deux demi-piles reli´ees par un pont ionique qui assure la neutralit´e ´electrique de chaque solution.
Pour fonctionner, la pile doit ˆetre plac´ee dans un circuit ´electrique ferm´e par un conducteur m´etallique qui permet un transfert d’´electrons entre un oxydant d’un couple et le r´educteur d’un autre couple.
2. Sch´ ema conventionnel
Pour la pile Daniell :Zn—Zn2+ —— Cu2+—Cu
3. Force ´ electromotrice d’une pile
d´efinition :
La f´em d’une pile est la tension entre le pˆole positif et le pˆole n´egatif de cette pile `a vide (quand elle ne d´ebite pas de courant).
Exemple de la pile Daniell: pour cette pile, la f´em est E = 1,1 V.Quand la pile fonctionne, le courant I circule dans le circuit du pˆole positif, ´electrode de cuivre, vers le pˆole n´egatif, ´electrode de zinc.
4. ´ Evolution spontan´ ee d’une pile
Lorsqu’elle d´ebite, la pile est un syst`eme hors ´equilibre. Elle est le si`ege d’un transfert spontan´e d’´electrons indirect :
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Unepile `a l’´equilibre est unepile us´eequi ne peut plus d´ebiter : Qr, eqK et Ieq0 .
III. Quantit´ e d’´ electricit´ e d´ ebit´ ee par une pile
D´ efinitions :
La quantit´e d’´electricit´e Q mise en jeu au cours du fonctionnement d’une pile est ´egale `a la charge totale des ´electrons ´echang´es :
Qnpeq.NA.e
avec n(e-) quantit´e d’´electrons ´echang´es au cours du fonctionnement d’une pile ; NA la constante d’Avogadro ;ela charge ´el´ementaire.
Le faraday F est la valeur absolue de la charge d’une mole d’´electrons ou quantit´e d’´electricit´e transport´ee par une mole d’´electrons :
1 F = NA.e = 96 500 C.mol-1
Ainsi, Qnpeq.F .
La quantit´e d’´electricit´e que fait circuler une pile qui d´ebite un courant d’intensit´e I pendant une dur´ee ∆t est QI.∆t .
La capacit´e d’une pile est la quantit´e d’´electricit´e maximale que cette pile peut fournir.
IV. Les piles usuelles
On peut ´evoquer par exemple :
la pile saline
la pile alcaline
la pile `a combustible.
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