Chapitre 5

Chapitre 5 :
LA PILE DANIEL
I) Aperçu historique :
1) Electrostatique :
Les phénomènes électrostatiques sont connus depuis l'antiquité.
Le fait de frotter un morceau d'ambre (résultat de la fossilisation
de la sève) avec un morceau de drap lui confère la propriété
d'attirer de petits bouts de papier ou de détourner un filet d’eau.
"Electron" est le mot grec qui désigne l'ambre jaune et qui a
donné le nom d'électricité.
A la fin du XVIIIe siècle, l'origine de l'électricité reste un mystère
malgré l'invention de la machine électrostatique par l'ingénieur
anglais RAMSDEN (1735-1800).
Cette machine, à produire des étincelles et donc à accumuler
de l'électricité, sera perfectionnée à la fin du XIXe siècle par le
physicien britannique James WIMSHURST (1832-1903) après
que la nature atomique de l'électricité sera connue.
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I) Aperçu historique :
2) Volta et Galvani :
En 1786, l'anatomiste italien Luigi GALVANI (1737-1798) expérimente les
effets de l'électricité produite par la machine de Ramsden sur des cadavres
d'animaux (en particulier les grenouilles). A la suite de ses travaux, Galvani en
conclut à l'existence d'une "électricité animale" (ancêtre de l'influx nerveux).
Le physicien Alessandro VOLTA (1745-1827) ayant entendu parler des
travaux de Galvani, entreprend ses propres expériences pour démontrer que
l'électricité a pour origine, au contraire, la nature des contacts entre des
métaux différents.
C'est pour prouver sa théorie que Volta, en 1800, commence
à imaginer des instruments composés de disque de métaux
différents (cuivre et zinc) empilés les uns sur les autres et
séparés par de la feutrine, le tout est immergé dans l'eau
acidulée (solution aqueuse acide).
C'est de ces disques empilés qui produisent de l'électricité
que vient le nom de "pile".
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I) Aperçu historique :
3) Becquerel et Daniel :
Au cours du début du XIXe siècle de nombreux savants, comme
CRUIKSHANK, WOLLASTON, DAVY, améliorent l'efficacité de la "pile".
Parallèlement, d'autres physiciens comme GAY-LUSSAC, AMPERE, ARAGO
font progresser la connaissance sur l'origine de l'électricité.
Mais, les piles s'usent rapidement, leur efficacité décroît (leur
force électromotrice diminue). Cette perte d'efficacité est due
à des phénomènes de polarisation.
Pour palier à cet inconvénient, en 1829, le physicien français
Antoine BECQUEREL (1788-1878) met au point une
nouvelle pile. Dans cette pile, le zinc (Zn), plongeant dans
une solution de sulfate de zinc(Zn2+, SO42-), est séparé du
cuivre (Cu), plongeant dans une solution de sulfate de
cuivre, par une membrane de baudruche (vessie de porc).
En 1836, le physicien anglais John Frédéric DANIEL (17901845) améliore encore la pile en remplaçant la membrane
par une paroi poreuse en terre semi-cuite.
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II) Pile zinc/cuivre :
1) Description et utilisation :
La pile zinc/cuivre comporte deux compartiments :
- le compartiment n° 1 contient une solution aqueuse de sulfate de zinc dans
laquelle plonge une lame de zinc. Nous avons donc le couple Zn2+/Zn.
- le compartiment n° 2 contient une solution de sulfate de cuivre II dans laquelle
plonge une lame de cuivre. Nous sommes en présence du couple Cu2+/Cu.
L'ensemble constitué par une électrode métallique plongeant dans une
solution aqueuse des ions de ce métal constitue une demi-pile. Elle met
en présence les deux partenaires d'un couple Oxydant/Réducteur.
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II) Pile zinc/cuivre :
1) Description et utilisation :
Les deux compartiments sont reliés par un pont électrochimique qui permet le
contact électrique entre les deux solutions, sans qu'elles se mélangent.
On branche un ampèremètre en série avec une résistance aux bornes de la
pile zinc/cuivre. Le sens de déviation de l'aiguille de l'ampèremètre montre
que la lame de cuivre constitue la borne positive (+), la lame de zinc
constituant la borne négative (-).
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II) Pile zinc/cuivre :
2) Interprétation :
Des réactions chimiques ont lieu lors du fonctionnement de la pile zinc/cuivre :
La lame de zinc (Zn) est attaquée tandis que des ions cuivre II (Cu2+)
disparaissent dans la solution de sulfate de cuivre II.
- A l'électrode de cuivre : arrivent à la fois des ions cuivre II (Cu2+) de la solution
et des électrons (e-) du circuit qui vont réagir pour former du cuivre (Cu) :
Les ions cuivre II sont réduits : Cu2+ + 2 e-  Cu
- A l'électrode de zinc : du métal zinc (Zn) cède des électrons (e-) qui quittent
l'électrode, le zinc passe sous forme d'ions (Zn2+) en solution :
Le zinc est oxydé :
Zn  Zn2+ + 2 e-
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II) Pile zinc/cuivre :
3) Déplacement des porteurs de charges :
Lors du fonctionnement de la pile, le passage du courant est assuré par :
- les électrons libres (e-) des parties métalliques du circuit et des électrodes de
zinc (Zn) et de cuivre (Cu).
- les ions zinc (Zn2+), cuivre II (Cu2+)
et sulfate (SO42-) dans les solutions
des deux compartiments, ainsi que
ee
les ions chlorure (Cl-) et potassium
(K+) du pont électrochimique.
A l'intérieur de la pile utilisée comme
générateur, les ions Zn2+, Cu2+ et les
cations (K+) du pont électrochimique
K+
Cltendent à se déplacer vers
l'électrode de cuivre (borne +), les
ions SO42- et les anions (Cl-) du
Cu2+
Zn2+
pont électrochimique tendent à se
déplacer vers l'électrode de zinc
SO4SO4(borne -).
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II) Pile zinc/cuivre :
4) Bilan des transformations :
Pendant un intervalle de temps Dt, n électrons quittent l'électrode de zinc et
pénètrent dans le circuit extérieur. Le circuit extérieur n'accumulant pas les
électrons, il doit "ressortir" le même nombre n d'électrons à l'électrode de
cuivre, pendant le même intervalle de temps Dt.
Durant l'intervalle de temps Dt, il s'est donc formé n/2 ions zinc (Zn2+) dans la
demi-pile de l’électrode de zinc, tandis que n/2 ions cuivre (Cu2+) ont disparu
de la demi-pile de l’électrode de cuive pour donner du métal cuivre.
Dans un intervalle de temps donné Dt,
que d'ions cuivre (II) consommés.
On a donc :
Cu2+ + 2 e- 
Zn 
Zn (s) + Cu2+(aq) 
il y a autant d'ions zinc formés
Cu
Zn2+ + 2 eZn2+ (aq) + Cu (s)
Le bilan des transformations chimiques dans la pile zinc/cuivre est le
même que le bilan de la réaction spontanée d'oxydoréduction qui se
produit entre le zinc et les ions cuivre II.
L'oxydant le plus fort est présent dans la demi-pile de la borne (+) et le
réducteur le plus fort est présent dans la demi-pile de la borne (-).
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II) Pile zinc/cuivre :
5) Tension à vide ou "force électromotrice" (f.é.m.) :
Avec un voltmètre électronique, nous
pouvons mesurer la tension UPN aux
bornes de la pile. Le courant étant nul,
on a UPN = E, tension à vide ou f.é.m.
Si les concentrations des solutions
des deux demi-piles sont égales, nous
trouvons : E = 1,10 V
On convient de représenter la pile
en écrivant les symboles des corps
qui interviennent dans les réactions
d'oxydoréduction de la pile :
(-) Zn  Zn2+(aq)  Cu2+(aq)  Cu (+)
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II) Pile zinc/cuivre :
6) Géneralisation :
Nous pourrions construire d'autres demi-piles en plongeant une lame de métal
M dans une solution contenant l'ion Mn+.
Pour la pile (-) M  Mn+(aq)  M’n’+(aq)  M (+), utilisée en générateur :
- l'oxydant le plus fort est présent dans la demi-pile de l’électrode
positive (+). Il capte des électrons du circuit extérieur : il est réduit.
- le réducteur le plus fort est présent dans la demi-pile de l’électrode
négative (-). Il fournit les électrons au circuit extérieur : il est oxydé.