Chapitre n 8 L E S P I L E S

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1 Chapitre n 8 L E S P I L E S T ale S I- Présentation 1 )Transferts d électrons a) Transfert spontané direct Lorsque les espèces chimiques participant à une réaction d oxydo-réduction en solution aqueuse sont mélangées, il se produit Lame de zinc Solution de sulfate de cuivre b) Transfert spontané indirect Lorsque les espèces chimiques participant à une réaction d oxydo-réduction en solution aqueuse sont séparées, on peut réaliser, par l intermédiaire d un conducteur métallique : les piles fonctionnent sur ce principe. 2 )Constitution d une pile a) Définition Une pile est constituée de deux compartiments séparés (appelés ), qui comportent chacun une, et d une, reliant les deux demi-piles. b) Demi-pile Une demi-pile est formée d une partie solide, appelée, constituée et d une contenant, dans laquelle trempe l électrode. Le, et forment respectivement l oxydant et le réducteur d. Rq. : Lorsque le réducteur n est pas sous forme solide mais mélangé à l oxydant dans l électrolyte, une électrode en matériau inerte chimiquement (Ex. : le graphite) mais conducteur de l électricité est utilisée en remplacement. c) Jonction électrochimique La jonction électrochimique est indispensable pour assurer la liaison électrique entre les deux demi-pile sans que les deux électrolytes se mélangent. Elle peut être constituée d une paroi poreuse ou d un pont salin (ou pont électrolytique) contenant une solution ionique gélifiée (Ex. : Chlorure de potassium KCl) dans laquelle des ions peuvent migrer, assurant ainsi l électroneutralité des solutions de chaque demi-pile. II- Les transformations chimiques en jeu 1 )Les réactions aux électrodes Dans chaque demi-pile a lieu une réaction de réduction ou d oxydation : l électrode étant le siège d une réaction de réduction est appelée : on parle alors de : l électrode étant le siège d une réaction d oxydation est appelée : on parle alors d : - 1 -

2 2 )La réaction d une pile La réaction de pile est le résultat de la combinaison des réactions aux électrodes : Rq. 1 : Cette réaction est également celle qui est associée à la réaction ayant lieu lorsque les espèces chimiques sont mélangées. Rq. 2 : Toutes les réactions de pile seront considérées comme. Les réactions ne sont donc pas 3 )Mouvement des porteurs de charge La nature des porteurs de charge dépend de celle du milieu dans lequel ils se trouvent : Dans les électrodes et le circuit électrique extérieur à la pile, les porteurs de charge sont ; Dans les solutions électrolytiques, les porteurs de charge sont : - les, se déplacent vers ; - les, se déplacent vers ; e - R I e - - e Cl - K + Zn 2+ Cu 2+ III- Caractéristiques d une pile 1 )La polarité Une pile électrochimique peut être considérée comme de la pile correspond à et la borne négative correspond à.. Le pôle positif 2 )La force électromotrice (f.é.m.) La différence de potentiel mesurée aux bornes d une pile lorsque celle-ci ne débite pas de courant est sa ( ), notée et s exprimant en ( ). La valeur de la f.é.m. d une pile dépend de la réaction de pile, donc de la nature des couples rédox mis en jeu, ainsi que des concentrations des espèces chimiques réactives en solution. 3 )La capacité (cf. IV- 3 ) b) ) 4 )La nomenclature officielle Une pile est symbolisée par la chaîne conductrice qui la constitue : Ex. : la pile cuivre zinc est symbolisée par : Rq. : Par convention, le pôle négatif ( ) est toujours placée à, et la à IV-Étude d une pile en fonctionnement 1 )Introduction : application du critère d évolution spontanée a) Exemple : la pile cuivre - zinc La réduction cathodique a pour équation : L oxydation anodique a pour équation : La réaction d oxydo-réduction a donc pour équation : - 2 -

3 La constante d équilibre de cette réaction vaut à 25 C Le quotient de réaction est défini par : Dans une pile, les concentrations initiales des ions réactifs sont en général égales, donc : Q r,i = Comme Q r,i K alors b) Conclusion Une pile en fonctionnement est un système chimique Lors du fonctionnement de la pile, le quotient de la réaction Q r et tend vers. Lorsque le quotient de la réaction Q r est égal à la constante d équilibre K, le système chimique est et la pile. Sa f.é.m. E est alors 2 )Quantité d électricité débitée La quantité d électricité Q que la pile a débité à la date t de sa vie, en supposant l intensité toujours constante lors de son fonctionnement, est définie par : La quantité d électricité Q Max que la pile a débité à la fin de sa vie (de durée τ), en supposant l intensité toujours constante lors de son fonctionnement, est définie par : Pour déterminer Q Max, il est nécessaire de connaître le réactif limitant. 3 )Bilan de matière a) Le Faraday Le Faraday est la charge portée par une mole de charges élémentaires : Rq. : La quantité d électricité que la pile a débité à la date t de sa vie peut aussi être définie par : b) Quantité de matière d espèce formée ou consommée Utilisons le tableau d avancement d une des réactions d électrode pour déterminer la quantité de matière de réactif formé ou de produit consommé : Réaction à la cathode État initial État intermédiaire Rq. : Les électrons ne peuvent être considérés comme un réactif puisqu ils ne sont qu échangés, et non consommés ou produits. D après le tableau d avancement, les quantités de matière d oxydant consommé et de réducteur produit à la cathode à la date t sont respectivement définies par : ( n ) Ox 1 consom = et (n Re ) d prod Or la quantité d électrons échangés à la date t s exprime par : ( n ) e éch = soit De plus, la quantité de matière d électrons échangés à la date t dépend de l intensité du courant : soit 1 = Donc les quantités de matière d oxydant consommé et de réducteur produit à la cathode à la date t valent respectivement : et - 3 -

4 La quantité d électricité Q Max que la pile a débité à la fin de sa vie, en supposant l intensité toujours constante lors de son fonctionnement, se détermine aussi grâce au tableau d avancement : Donc : avec et soit (si Ox 1 est le réactif limitant) La quantité d électricité Q Max est donc une caractéristique intrinsèque d une pile puisqu elle dépend de la nature des réactifs et de la quantité initiale de ces réactifs V- Exemples de pile 1 )Introduction a) Présentation Il existe plusieurs types de générateurs électrochimiques selon leur devenir une fois déchargés : les sont inutilisables, les sont rechargeables électriquement, les sont réapprovisionnées chimiquement. b) Aperçu historique Elles ont été inventées en par un physicien italien ( ). Les travaux du français Georges Leclanché sur la pile saline vers ont répandu son usage. La pile alcaline ne date que de. La pile au lithium est apparue dans les années. 2 )La pile de type Leclanché (ou pile saline) a) Description L anode est en La cathode est constituée d un réactif : le ( ), mais une électrode de graphite permet de faire le lien entre ce réactif et l extérieur de la pile. Ces réactifs anodiques et cathodiques baignent dans des électrolytes salins : le ( ) et le ( ) b) Fonctionnement 1 - Au pôle négatif de la pile (anode) Situé dans le compartiment anodique, le zinc va subir une ; constituant le pôle négatif, le zinc va des électrons au profit du circuit extérieur : Rq : Le zinc jouant à la fois le rôle de conducteur électrique et de réactif, la carcasse de la pile se désagrège donc au fur et à mesure de son fonctionnement! 2 - Au pôle positif de la pile (cathode) Situé dans le compartiment cathodique, le dioxyde de manganèse va subir une ; il va les électrons provenant de l anode : Rq : La poudre de carbone permet à la réaction d avoir lieu dans tout le compartiment cathodique et non pas seulement au niveau de la surface séparant l électrode de graphite et l électrolyte. 3 - Bilan de la réaction d oxydo-réduction Oxydation anodique : Réduction cathodique : Équation chimique : - 4 -

5 3 )L accumulateur le plus courant : l accumulateur au plomb a) Description L anode est en ( ). La cathode est en recouvert de ( ). Les deux électrodes baignent dans une solution ( ) b) Fonctionnement 1 - Au pôle négatif (anode) Le plomb va subir une réaction : En présence d ions sulfate, les ions plomb précipitent : La réaction d oxydation anodique s écrit donc : Rq. : Le plomb joue à la fois le rôle de conducteur électrique et de réactif. 2 - Au pôle positif (cathode) Le dioxyde de plomb subit une réaction de : soit Rq. 1 : Les ions H + sont apportés par l acide sulfurique. Rq. 2 : Le plomb de la cathode ne sert que de conducteur électrique. 3 - Bilan de la réaction d oxydo-réduction 4 )Les piles à combustible a) Principe de fonctionnement Réactifs Produits Electrolyte Réactifs Produits Ce type de pile réalise une réaction d oxydo-réduction particulière : une réaction de combustion : - l oxydant est appelé le (souvent du dioxygène) - le réducteur est appelé le. b) Exemple : la pile à combustible alcaline 1 - Constitution Le réactif anodique est du dihydrogène (Couple : H 2 O / H 2 ) Le réactif cathodique est le dioxygène (Couple O 2 / HO - ) L électrolyte est la potasse ( ) 2 - Fonctionnement Oxydation anodique : Soit Soit Réduction cathodique : Équation chimique: - 5 -

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