Chapitre 8 : Les piles. I. Comment réaliser une pile ?

Lycée J-B Schwilgué - SELESTAT
GROSSHENY L.
Chapitre 8 : Les piles.
Comment fonctionne une pile bouton au Lithium ?
• Comment déterminer le pôle positif ? le sens du courant ?
• Comment expliquer le transfert spontané d’électrons dans un circuit fermé ? couple :
Li
+
/Li et MnO
2
/ MnOOH
• Sachant que la constante d’équilibre associée à la réaction établie est grande, montrer
que le sens d’évolution prévu est bien celui observé.
• Déterminer la quantité d’électricité (en coulomb) cédé pendant 1 heure.
• En déduire le nombre de charge échangé pendant cette durée.
I. Comment réaliser une pile ?
• 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.
1. Volta et sa pile.
Vidéo « ampère histoire de l’électricité »
2. Transfert spontané indirect d’électrons.
Réaliser le générateur électrochimique constitué à partir des couples Cu
2+
/ Cu et Zn
2+
/Zn.
Nous avons vu dans le chapitre précédent, que si nous mettons ses 4 espèces dans un becher, il y a un
transfert spontané d’électron. Les ions cuivre (II) et le métal zinc échangent des électrons
directement : le zinc cède des électrons aux ions
2
(aq)
Cu
+
pour former du cuivre Cu et des ions zinc
Zn
2+
.
Que se passe-t-il si les couples oxydant/réducteur sont
séparés ?
Il y a un transfert d’électron si et seulement si il y a un pont
ionique (papier imbibé de solution de chlorure de potassium ou
vase poreux/ tube en U rempli d’une solution gélifiée de
chlorure d’ammonium) entre les 2 béchers.
• Préciser la nature des électrodes constituant la borne positive
et la borne négative de la pile.
• Interpréter les réactions au niveau des électrodes de chaque
½ pile.
• En déduire l’équation de réaction décrivant le
fonctionnement global de ce générateur électrochimique.

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II. La pile et son fonctionnement.
1. Définition.
Une pile électrochimique est un générateur qui transforme de l'énergie chimique fournie par une réaction
d'oxydoréduction spontanée en énergie électrique.
Une pile est composée de :
 Deux compartiments séparés appelés demi-piles contenant chacun une électrode (matériau conducteur,
en général des métaux ou du carbone) et une solution électrolytique
 Un pont salin ou une paroi poreuse reliant les 2 demi-piles.
Chaque demi-pile est composée des espèces d'un couple oxydant/réducteur.
Souvent le couple est formé d'un ion métallique M
n+
et du métal M. L'électrode alors constituée du métal M.
2. Schématisation.
pont salin
On distingue les électrodes suivant la réaction qui a lieu à leur surface.
Par définition :
L’anode est l’électrode qui est le siège d’une oxydation
La cathode est l’électrode qui est le siège d’une réduction.
Pont
(s)
Cu
(s)
Zn
2
(aq)
Cu
+
2
(aq)
Zn
+
e
−
e
−
e
−
e
−
e
−
e
−
e
−
e
−
2
4(aq)
SO
−
2
4(aq)
SO
−
(aq)
K
+
(aq)
Cl
−
I
I
(s)
Cu
2
(aq)
Cu
+
2 e
−
Zoom
2
(aq)
Zn
+
2 e
−
(s)
Zn
Zoom
borne - borne +
Métal M métal M’
Solution :M
+
solution M’
+
- +
M(s) M
+
(aq) M’
+
(aq)M’(s)
Le premier membre est la borne négative.
Le deuxième membre la borne positive.
Frontière solution/solution au milieu assuré par
le pont salin.

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3. Mouvement des porteurs de charges.
Animation shockwave
Les porteurs de charges sont des entités qui en se déplaçant, assurent le passage du courant.
Lorsque la pile débite, les porteurs de charges sont de deux sortes :
 Dans le circuit extérieur à la pile, ce sont des électrons qui circulent dans les fils et les
conducteurs de la borne - vers la borne ⊕.
 Dans le pont salin et dans les solutions, ce sont des ions qui se déplacent. Le mouvement des
ions dans le pont salin permet aux solutions de rester électriquement neutres.
Dans la demi-pile où se forment des cations (électrode négative), le pont salin apporte des anions et
dans la demi-pile où les cations sont consommés (électrode positive) le pont salin apporte des
cations. La pile est un circuit fermé, condition indispensable pour le passage du courant
Le critère d’évolution spontanée permet de déterminer le sens de déplacement des porteurs de
charge. La pile est hors équilibre tant qu’elle débite du courant. A l’équilibre, la pile est
« usée » et le courant est nul.
Le pont salin est constitué d'un tube en U creux rempli d'une solution gélifiée conductrice concentrée
(ou d'une simple feuille de papier imbibé d'une solution conductrice).
Les ions présents dans le pont salin (en général K
+
et Cl
-
ou NO
3-
) n'interviennent pas dans la
réaction d'oxydoréduction. Leur rôle est de permettre le passage du courant dans la pile et d'assurer la
neutralité électrique des solutions.
III. Etude quantitative d’une pile.
• Écrire 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.
1. Caractéristique électrique.
La caractéristique d'une pile est : U
PN
= E – r I.
E est la force électromotrice (f.e.m) de la pile, mesurée en volt(V).E > 0
r est la résistance interne de la pile, mesurée en ohm (Ω).
Un voltmètre à une forte résistance donc l’intensité débité I est faible U
PN
≈ E
Un voltmètre branché aux bornes de la pile hors circuit donne la force électromotrice E de la pile.

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2. Capacité en charge de la pile.
On appelle capacité de la pile, la quantité maximale d'électricité fournie par la pile : Q
max
= I . t
max
I : valeur de l’intensité du courant constante, t la durée en seconde et Q en coulomb (C).
 Déterminer la capacité de la pile du commerce étudiée.
3. Comment relier les quantités de matière des réactifs à l’intensité du
courant ?
La quantité d’électricité est Q = I . t
De même, la quantité d’électricité correspond aux nombre d’électrons mis en jeu multiplié par la
charge e d’un électron : Q = nbre . e
Si n est la quantité de matière d'électrons échangés (nombre de mole) pendant un temps t alors
Q = n.N
A
.e ou N
A
est le nombre d'Avogadro (N
A
=6,02.10
23
mol
-1
)
Le produit N
A
.e est appelé faraday et noté F.
1 F = N
A
.e = 6,02.10
23
x 1,6.10
-19
= 96320 C.mol
-1
On utilise souvent 1 F ≈
≈≈
≈ 96 500 C.mol
-1
et Q = n . F
4. La pile usée
Une pile est usée ou déchargée lorsqu’elle a atteint son état d’équilibre donc quand
r
Q K
=
.
Des réactifs ont été consommés, et comme la réaction est totale elle atteint son avancement
maximum
max max
max
I t Q
F F
x
y y
∆
= = et
max max
Q y x F
=.
Cette quantité est liée aux quantités de matières des réactifs présents dans la pile et la pile est
déchargée lorsqu’au moins l’un des réactifs est entièrement consommé. Une pile n’est pas
rechargeable.