COURS - ABCelectronique

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Secteur Sciences
221.02- Piles et Accumulateurs (T4) Cours 1-3
Transport
Leçon :
Piles et Accumulateurs T4
Introduction
Les réactions d’oxydoréduction permettent d’expliquer les principes de fonctionnement des piles, des accumulateurs ainsi que
celui de la corrosion. Et c’est cet ensemble de phénomène que nous allons étudier au cours de cette leçon. Ainsi dans une
première partie nous verrons le fonctionnement des piles puis nous verrons ce que l’on appelle le potentiel d’oxydoréduction
(qui permet de définir la force électromotrice d’une pile). Nous fabriquerons ensuite une pile rudimentaire et nous en
expliquerons le fonctionnement.
Dans une deuxième partie nous étudierons les accumulateurs et les électrolyse pour enfin dans une troisième et dernière partie
essayer de comprendre comment nous pouvons nous protéger de la corrosion.
Pré requis :
Les pré requis sont intimement liés à la leçon n°9 portant sur l’oxydoréduction, il faut donc connaître et comprendre les termes
suivants :
- l’oxydation la réduction, les réactions d’oxydoréduction un réducteur un oxydant un couple oxydant réducteur…
Objectifs :
Etre capable de :
- prévoir les polarités d’une pile à partir de la classification électrochimique,
- mesurer la fem d’une pile,
- comprendre et expliquer le fonctionnement d’une pile,
- comprendre le fonctionnement d’un accumulateur ainsi que celui d’une électrolyse,
- expliquer le phénomène de corrosion et expliquer la protection contre la corrosion.
1- CreATion de piles.
Expérience : Une pile électrochimique
 Document n°1 :
Protocole :
Dans un bécher de 100 mL :
- Disposer 50 mL d’une solution d’acide chlorhydrique
diluée.
- Placer dans le becher deux lame de cuivre et de Zinc
reliées à un voltmètre comme le montre le schéma ci-
dessous.
- Mesurer la tension obtenue entre les deux bornes du
voltmètre.

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221.02- Piles et Accumulateurs (T4) Cours 2-3
Conclusions :
Cette première activité montre que : deux lames métalliques différentes placées dans un électrolyte constituent une pile
électrochimique
Expérience : Une pile DANIEL
 Document n°2 :
Protocole :
Réalisons le montage ci-contre….
Placer un voltmètre entre les deux lames de métal.
Observations :
Lorsque nous effectuons cette expérience, nous remarquons que si
nous inversons les bornes du voltmètre la valeur de la tension devient positive ou négative. Il existe donc une borne positive
(+) et une borne négative (-) .
Nous remarquons aussi que lorsque l’on fait fonctionner cette pile une certaine durée, une des deux électrode est oxydée.
Ainsi sur une des deux électrodes s’est produite une oxydation dont on peut écrire la demi équation et de la même manière à
l’autre électrode c’est une réduction qui a eut lieu et la encore nous pouvons en écrire la demi équation.
Interprétations :
Le voltmètre indique 1,10 Vil existe donc une tension entre les plaques de cuivre et de Zinc :
- Le pôle + est l’électrode Ccuivre ;
- Le pole – est l’électrode de Zinc.
Un pile est constituée de deux demi piles reliées par un pont salin mettant en jeu des réactions d’oxydoréduction. Le pont salin
est constitué de d’ions NH4+ et NO3- qui permettent le passage aisé des électrons.
La lame de Zinc fournit des électrons qui lorsque la pile est branchée aux bornes d’un conducteur, ne peuvent
aller que dans le circuit. Ces électrons provenant du circuit participent alors à la réduction du cuivre.
Vocabulaire :
Dans une pile, une électrolyse ou quelconque autre réaction d’oxydoréduction, on peut distinguer deux
domaines ou se produisent des réactions différentes l’anode et la cathode.
L’ anode ou borne – est le siège d’une oxydation (libération d’électrons).
La Cathode ou borne + est le siège d’une réduction (consommation d’électrons).
Conclusions :
Pour notre expérience on a donc :
A l’anode : oxydation du Zinc :
Zn Zn+2 + 2 e-
A la cathode on a une réduction du cuivre (donc un dépôt de cuivre) :
Cu2+ + 2 e- Cu
Il y a donc eu un déplacement des électrons de l’anode vers la cathode.
Ce déplacement d’électrons est donc à la base du courant électrique
que l’on détecte dans le voltmètre.
L’équation bilan de cette réaction chimique est donc :
Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu
Remarque :
La pile Zinc-Cuivre s’appelle également pile DAIELL, du nom de son inventeur en 1836, John Frédéric DANIELL (1790-1845)
professeur au King’s College de LONDRES. Mais ce n’est pas la première pile qui est due à VOLTA en 1798 et qui utilisait des
rondelles de cuivre alternées avec des rondelles de zinc séparées par un tissu imbnibé d’eau salée, puis d’acide sulfurique.
Dans les piles du commerce, dite alcaline, les électrodes sont constituées en général au pôle négatif toujours de Zinc, mais au
pôle positif de dioxyde de manganèse MnO2 ou bien d’oxyde de mercure HgO, le terme alcalin signifiant que les électrodes
plongent dans une solution alcaline c'est-à-dire basique contenant des ions OH- .

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221.02- Piles et Accumulateurs (T4) Cours 3-3
2- Prévision de la polarité
Le bilan chimique du fonctionnement de la pile DANIELL est donc le suivant :
Oxydation du métal Zinc par les ions Cuivre II et réduction des ions Cuivre II par le métal Zinc.
Les deux couples redox qui sont utilisés ici sont donc :
Cu2+ / Cu et Zn2+ / Zn
On schématise alors la pile DANIELL par :
+ Zn2+ / Zn II Cu2+ / Cu -
Le métal le plus réducteur selon la classification
électrochimique envoie des électrons vers le circuit extérieur
(ici c’est donc le Zinc) et il constitue l’anode.
Le métal le plus oxydant selon la classification
électrochimique capte des électrons venus du circuit
extérieur (ici c’est donc le Cuivre) et il constitue la Cathode.
3- Force électromotrice f.e.m.
Dans le cas d’une pile DANIELL, le voltmètre indique une tension de 1,10 V. C’est la tension mesurée entre les bornes de la pile
quand elle ne débite pas de courant.
Définition :
La valeur mesurée par le voltmètre lorsque la pile ne débite pas est appelée Force Electro-Motrice (f.e.m) de la pile,
on la note E .
Propriété : Calcul de la f.e.m. d’une pile
On démontre que la fem d’une pile peut être calculée à partir des valeurs des potentiels d’oxydoréduction (ou
potentiel redox des deux couples utilisés pour constituer la pile.
Application :
Ici on a donc :
E = E
+ – E -
= ECu – EZn
= 0,34 – (-0,76)
= 1,10 V.
La force électromotrice d’une pile dépend donc de la nature de ses électrodes.
4- Les accumulateurs.
La réaction d’oxydoréduction utilisée dans une pile consomme les réactifs présents, ce qui provoque son usure.
Dans un accumulateur, la réaction peut être inversée et l’accumulateur est alors rechargé.
On utilise donc :
- pour le fonctionnement en générateur la réaction d’oxydoréduction spontanée entre deux couples redox.
- Pour le fonctionnement en recharge, la réaction lié à l’électrolyse que nous faisons subir aux deux couples.
Remarque : Les batteries de voiture
L’accumulateur au plomb mis au point en 1859 par Gaston PLANTE (1834-1889), est constitué d’électrodes en plomb Pb, dont
l’une est recouverte de dioxyde de plomb PbO2.
L’accumulateur utilisé en générateur la réaction spontanée entre les couples PbO2 / Pb2+ et Pb2+ / Pb qui nécessite la présence
d’ions H+, assurée dans les batteries automobiles par de l’acide sulfurique.
La réaction consomme le dioxyde de plomb et le plomb pour fabriquer su sulfate de plomb constitué d’ions Pb2+ et d’ion SO42-.
Lors de la recharge de l’accumulateur, il se produit une électrolyse du sulfate de plomb qui redonne l’oxyde de plomb PbO2 et
le plomb Pb.