X 9 : Les piles électrochimiques

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1 X 9 : Les piles électrochimiques 1 Description de la pile électrochimique 1.1 Principe Une pile électrochimique est un générateur qui transforme une partie de l'énergie chimique venant d'une réaction d'oxydoréduction spontanée en énergie électrique. Les électrons échangés entre le réducteur et l'oxydant ne vont plus directement de l'un à l'autre mais passent par un circuit électrique. Dans ce cours nous prendront comme exemple la pile Daniell (1836) formée à partir des deux couples redox suivants: Cu 2+ / Cu et Zn 2+ /Zn dont voici l'équation bilan: Cu aq Zn s Cu s Zn aq (K= ) D'après la constante d'équilibre K, on peut considérer cette réaction comme totale. 1.2 Constitution d'une pile Schéma de la pile Daniell Zn Cu Solution de Solution de Zn 2+ 2Cl Cu 2+ 2 SO les éléments de la piles Demi piles La pile peut être divisée en deux demi piles qui sont constituées des deux membres d'un même couple : 1 ère demi pile: couple Zn 2+ aq / Zn s 2 ème demi pile: couple Cu 2+ aq /Cu s L'élément solide du couple sert d'électrode ici Zn et Cu. Remarque: si aucun élément du couple n'est solide comme dans le couple Fe 3+ / Fe 2+ alors on se sert d'un métal inerte chimiquement comme le platine (Pt) ou de graphite (C) Page 1/5

2 Pont salin Le pont salin est constitué en général d'une tube remplie d'une solution saline gélifiée ou d'un papier imbibé de solution saline, ici K Cl. Son rôle est double: il permet le passage du courant à l'intérieur de la pile et il apporte des ions qui compensent la perte ou le gain d'ions dû à la réaction d'oxydoréduction, assurant ainsi le maintien de l'électro neutralité des solutions. 2 Sens de déplacement des porteurs de charge 2.1 En théorie Rappels: dans une pile, le courant part de la borne + et va à la borne. Les électrons vont de la borne à la borne +. Quel est le métal qui donne ses électrons (réducteur)? 2.2 En pratique On peut déterminer la polarité d'une pile à l'aide d'un voltmètre. En branchant la borne COM du voltmètre sur la borne de la pile et l'autre borne sur le plus, on doit obtenir une valeur positive de la f.é.m. Si la valeur est négative alors les deux bornes étaient inversées. 2.3 Écriture symbolique d'une pile La pile Daniell peut être écrite symboliquement ainsi (attention à respecter l'ordre des bornes à gauche + à droite.) Zn /Zn 2+ // Cu 2+ /Cu Si l'électrode est faite d'un métal inerte (voir ), ce métal est écrit dans la représentation symbolique: Pt / Fe 2+ /Fe 3+ // Cu 2+ /Cu Page 2/5

3 3 Grandeurs caractéristiques d'une pile: E et r La pile étant un générateur, la tension qu'elle délivre dépend du courant qu'elle débite. Remarques: U=E r. I La valeur de la E dépend de la nature des couples redox utilisés et de leur concentrations. La valeur de r dépend en partie de la qualité du pont salin 4 Pile et temps d'utilisation U: tension délivrée par la pile (V) E: force électromotrice (fém) de la pile (V) r: résistance interne de la pile ( Ω) I: courant débité par la pile (A) Le temps d'utilisation d'une pile dépend du nombre d'électrons qu'elle est capable de produire. Cette quantité d'électrons dépendra directement de l'avancement final x f atteint par la réaction d'oxydoréduction. 4.1 Avancement, nombre d'électrons et charge Soit une pile faite à partir des éléments suivants: deux électrodes de 1,0g chacune, l'une en zinc, l'autre en cuivre. Ces deux électrodes baignent dans deux solutions à 0,1 mol/l, l'une sulfate de cuivre et l'autre de chlorure de zinc. Étape 1: trouver les deux demi équation, en déduire l'équation bilan de la réaction ainsi que le nombre d'électrons échangés lors de cette réaction. Étape 2: dresser un tableau d'avancement en y incluant une case n(e ) la quantité de matière d'électrons échangés. Équation bilan: x (mol) n(zn) n(cu 2+ ) n(zn 2+ ) n(cu) n(e ) Etat initial État final Calcul des n 0 : Page 3/5

4 Calcul de xf(=x max ) Nombre d'électrons échangeables: 4.2 Intensité et temps d'utilisation Nous supposerons que le courant I débité par la pile et constant pendant toute la durée de vie de la pile et vaut 1A I= Q t Calcul de Q: (donnée: N A = 6,02E23mol 1 I: courant débité par la pile (A) Q: charge due au électrons (C) Δt: durée d'utilisation de la pile (s) Remarque: la charge d'une mole d'électrons à été calculée, cette valeur est appelée F pour Faraday. F= C/mol Q= nf Calcul de Δt: 5 Exemple de pile usuelle: la pile Leclanché (Pile saline) 5.1 Coupe de la pile Page 4/5

5 5.2 Description. Le pôle négatif est constitué par le zinc métallique Zn qui est en contact avec du chlorure de zinc ZnCl 2 Zn 2+ / Zn. en solution aqueuse gélifiée Zn Cl. Cet ensemble met en jeu le couple L'électrolyte est une solution acide et gélifiée de chlorure d'ammonium NH 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 MnO 2 / MnO(OH). Des grains de graphite assurent une meilleure conduction. 5.3 Les demi équations rédox aux électrodes et le bilan électrochimique. Cette pile a une force électromotrice voisine de 1,5V. Le réactif en défaut est le dioxyde de manganèse. 5.4 Remarques. La pile précédente 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 ). Page 5/5