les piles - Créer son blog

LES PILES : DES DISPOSITIFS METTANT EN JEU DES
TRANSFORMATIONS SPONTANEES PERMETTANT DE
RECUPERER DE L’ENERGIE
Compétences exigibles :
- Schématiser une pile
- Utiliser le critère d’évolution spontanée pour déterminer le sens de déplacement des porteurs de
charges dans une pile.
- Interpréter le fonctionnement d’une pile en disposant d’une information parmi les suivantes :
sens de circulation du courant électrique, f.é.m., réactions aux électrodes, polarité des électrodes
ou mouvement des porteurs de charges.
- Ecrire les réactions aux électrodes et relier les quantités de matière des espèces formées ou
consommées à l’intensité du courant et à la durée de la transformation, dans une pile et lors
d’une électrolyse.
I. CONSTITUTION D’UNE PILE
A. Qu’est ce qu’une pile ?
Une pile électrochimique est un générateur qui transforme une partie de l'énergie chimique
venant d'une réaction d'oxydoréduction spontanée en énergie électrique.
B. Constitution d’une pile
Les piles étudiées dans ce chapitre sont constituées par deux demi-piles distinctes contenant
chacun un couple oxydant/réducteur ion métallique/métal reliés par un pont salin. Chaque
demi-pile comporte une plaque de métal M plongeant dans une solution contenant des cations
métalliques Mn+. La plaque de métal M est appelée électrode ; c’est à sa surface que se
produisent les transferts d’électrons. Le pont salin est constitué par une bande de papier filtre
ou un tube en U remplis d’une solution conductrice concentrée et chimiquement inerte de
chlorure de potassium ou de nitrate d’ammonium. Ce pont ionique assure la conduction
électrique entre les deux demi-piles séparées tout en maintenant l’électroneutralité des
solutions ioniques.
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 une solution de sulfate de cuivre(II) dans laquelle trempe une lame de cuivre
et l'autre es constituée d'un bécher contenant une solution de sulfate de zinc dans laquelle
trempe une lame de zinc.

Remarque 1 : Les deux demi-piles peuvent être séparées par une paroi poreuse. Le pont salin
est alors inutile.
Remarque 2 : On peut constituer une demi-pile sans plaque métallique. Le couple
oxydant/réducteur n’est alors pas un couple cation métallique/métal. C’est d’ailleurs le cas
dans les piles usuelles.
Dans une pile saline classique les couples oxydant/réducteur mis en jeu sont les couples
Zn2+/Zn et MnO2/MnO(OH).
C. Représentation symbolique d’une pile
On symbolise une transition métal solution ionique par un / et le pont salin par un //. Un pile
constituée par deux couples cation métallique/métal se notera :
- M/Mn+(aq)//M’p+(aq)/M’ +
Exemples : Dans la pile cuivre-zinc (pile Daniell) étudiée en TP,
- Zn(s)/ Zn2+(aq)+SO
2
4
(aq)// Cu2+(aq)+SO
2
4
(aq) /Cu(s) +
Dans la pile argent-cuivre du TP :
- Cu(s) / Cu2+(aq)+SO
2
4
(aq) // Ag+(aq)+NO
3
(aq) / Ag(s) +
Remarque : Les électrodes sont alors constituées d'un conducteur inerte (en général le platine
Pt ou le carbone).
II. FONCTIONNEMENT D’UNE PILE
A. Observation du sens de circulation du courant électrique,
mouvement des porteurs de charges, rôle du pont salin,
réactions aux électrodes.
On peut déterminer les réactions aux électrodes, le sens de déplacement des différents
porteurs de charges et l’équation de fonctionnement de la pile à partir du sens du courant
électrique.

A l’extérieur de la pile, le courant électrique circule toujours du pole positif vers le pole
négatif de la pile.
Exemple : Dans la pile cuivre-zinc (pile Daniell) étudiée en TP, le courant circule de
l’électrode de cuivre vers l’électrode de zinc. L’électrode de cuivre constitue le pole positif
alors que l’électrode de zinc constitue le pole négatif. Faire le schéma. Dans la pile argent-
cuivre étudiée en TP, le courant circule de l’électrode d’argent vers l’électrode de cuivre.
L’électrode d’argent constitue le pole positif alors que l’électrode de cuivre constitue le pole
négatif
Les porteurs de charge sont les entités qui en se déplaçant assurent le passage du courant.
Dans les conducteurs métalliques (électrodes et circuit extérieur) les porteurs de charge sont
les électrons qui circulent à l’extérieur de la pile du pole négatif vers le pole positif (sens
inverse du sens conventionnel du courant). Dans les solutions ioniques, ce sont les ions qui
constituent les porteurs de charge. Les cations se déplacent dans le sens du courant et les
anions dans le sens inverse (Dans le pont salin utilisé en TP ce sont les ions nitrate et
ammonium qui assurent la conduction électrique). A l’intérieur de la pile, les cations se
dirigent vers le pole positif de la pile et les anions vers le pole négatif de cette pile.
Exemple : Dans la pile cuivre-zinc (pile Daniell) étudiée en TP, les électrons se déplacent de
l’électrode de zinc vers l’électrode de cuivre. Faire le schéma. Représenter le sens de
circulation des ions dans le pont salin.

On déduit du sens de circulation des électrons les réactions qui se produisent aux électrodes.
Au pole négatif de la pile, il y a libération d’électrons : l’électrode est donc le siège d’une
réaction de réduction. Au pole positif de la pile, il y a capture d’électrons : l’électrode est
donc le siège d’une réaction d’oxydation. On en déduit l’équation de la réaction
d’oxydoréduction qui a lieu dans la pile.
Exemple : Dans la pile cuivre-zinc (pile Daniell) étudiée en TP, les équations des réactions
aux électrodes sont : Pole positif (oxydation): Cu2+(aq) + 2 e- = Cu(s)
Pole négatif (réduction): Zn(s) = Zn2+(aq) + 2 e-
L’équation de la réaction associée à la transformation ayant lieu dans la pile est :
Cu2+(aq) + Zn(s) = Zn2+(aq) + Cu(s)
Dans la pile cuivre-zinc (pile Daniell) étudiée en TP, la solution de sulfate de zinc s’enrichit
en ions zinc(II). Pour compenser cet excès de charge positive des anions nitrate passent vers
cette solution. Inversement la solution de sulfate de cuivre s’appauvrit en ions cuivre (II)et les
cations ammonium issus du pont salin rétablissent alors la neutralité électronique. C’est pour
cela que les ions contenus dans le pont salin doivent être chimiquement inertes vis à vis des
espèces présentes dans la pile.
On peut aussi traiter la pile argent-cuivre.
B. Evolution spontanée d’une pile : la pile est un système hors
équilibre lors de son fonctionnement en générateur.
On a dans le paragraphe précédent travaillé avec une observation expérimentale. Il est aussi
possible de prévoir le sens d’évolution spontanée du système constituant la pile en utilisant le
critère d’évolution. On calcule le quotient de réaction initial du système et on le compare à la
constante d’équilibre de la réaction. On utilise alors le critère d’évolution de manière à prévoir
le sens d’évolution spontanée du système. On en déduit les réactions aux électrodes et le sens
de circulation du courant.
Exemple : Dans la pile cuivre-zinc (pile Daniell) étudiée en TP, Qr,i =
i
2i
2
]Cu[]Zn[
= 1
La quotient de réaction dans l’état d’équilibre s’écrit :
Qr,éq. =
2+ .
2+ .
[Zn ]
[Cu ]éq
éq
; or Qr,éq = K et K = 1037
Puisque Qr,i < K, l’application du critère d’évolution permet de conclure que le système
évolue dans le sens direct qui est bien celui qui a été observé.

La pile est au départ un système hors équilibre. Pendant tout son fonctionnement, elle délivre
un courant électrique le système chimique n’est toujours pas à l’équilibre et le quotient de
réaction se rapproche de la constante d’équilibre. La circulation des électrons peut s’arrêter
pour deux raisons :
- soit le quotient de la réaction atteint la valeur de la constante d’équilibre et le système
est alors à l’équilibre ;
- soit l’un des réactifs disparaît complètement et la réaction s’arrête alors avant d’avoir
atteint un état d’équilibre.
C’est le deuxième cas qui est le plus fréquent.
III. Force électromotrice d’une pile
A. Mesure
La force électromotrice d’une pile est la tension positive mesurée aux bornes d’une pile quand
elle ne délivre pas de courant cad quand elle n’est pas branchée dans un circuit. Elle s’obtient
en branchant un voltmètre électronique directement aux bornes de la pile. On note E la force
électromotrice d’une pile. Elle s’exprime en volt.
Par exemple, le pile Daniell étudiée en TP à une fem voisine de 0,8 V.
Remarque 1 : Une pile possède une résistance interne r.
Remarque 2 : Quand elle fonctionne la tension aux bornes du pile est liée à l’intensité du
courant qu’elle délivre, à sa force électromotrice E et à sa résistance interne r.
UPN = E –r.I
B. Polarité des électrodes
La polarité d’une pile se déduit de la fem de la pile. La fem est une tension positive. La plaque
reliée à la borne V du multimètre est la borne positive ; la plaque reliée à la borne COM est la
borne négative.