Les piles : transformations spontanées 10 C

CHIMIE 1
Les piles
Les piles
: transformations
spontanées
10
CHAPITRE
Une pile est un générateur de courant électrique. Les réactions chimiques mettant en jeu un transfert d'électrons sont
les réactions d'oxydoréduction.
1- Exemple de pile : la pile Daniell
1.1 Transfert d’électrons entre deux couples
Les métaux ayant tendance à perdre facilement un ou plusieurs électrons sont des réducteurs.
Exemple :
Le zinc métallique réduit les ions cuivre II, selon l'équation:
Zn(s) + Cu2+(aq) = Zn2+(aq) + Cu(s) (K = 1037)
Les deux demi-équations d'échange sont :
Zn(s) = Zn2+(aq) + 2 e-
Cu2+(aq) + 2 e- = Cu(s)
On peut mélanger les espèces réactives.
Le transfert spontané d'électrons a lieu directement entre Zn et Cu2+ à la surface de Zn.
1.2 La pile Daniell
On réalise les deux demi-réactions séparément dans deux compartiments réunis électriquement.
 Un bécher comprend une lame de cuivre plongeant dans une solution de
sulfate de cuivre II
L'autre bécher comprend une lame de zinc plongeant dans une solution de
sulfate de zinc
Les deux béchers sont reliées par un pont de jonction dit pont
électrolytique ou pont salin.
 On mesure la tension aux bornes de l’ensemble : 1,1 V .
On a donc constitué une pile.
2- Description d'une pile
2.1 Les constituants d'une pile
Une pile comprend :
 Deux demi-piles formées chacune des deux espèces d’un même couple. Les deux métaux M1 et M2 appelés
électrodes, constituent les pôles ou les bornes de la pile.
Cu
2+
(aq)
Zn(s)
Cu
2+
Zn
2+
Cu
Zn
Pont salin

CHIMIE 2
Les piles
 Un pont salin : solution aqueuse ionique concentrée, sur un support solide. Cette solution peut être du chlorure de
potassium, du nitrate de potassium ou du nitrate d'ammonium.
2.2 Détermination expérimentale des caractéristiques d'une pile
Mesure de la f.é.m. E
C’est la valeur absolue de la tension à vide. (I = 0)
Pôles de la pile
On branche M1 a la borne COM et M2 a la borne V
On mesure alors UM2M1
- si la tension est > 0, alors M1 est la borne -, et M2 la borne +.
- si la tension est < 0, alors M1 est la borne +, et M2 la borne -.
Résistance interne
La tension est donnée par : UPN = E –rI, r : résistance interne
(Borne + : P, borne - : N)
3- Étude qualitative du fonctionnement d’une pile
3.1 Réactions aux électrodes
a) Exemple : pile zinc – plomb
On relie le zinc à la borne COM, le plomb à la borne V.
On obtient UPb,Zn = 0,61 V : La lame de Zinc est la borne (-) , la lame de Plomb est la borne (+) ,
La f.é.m. E vaut 0,61 V.
Réactions aux électrodes .
• Borne + Pb 2++ 2e- = Pb RéduCtion  Cathode (gain d’électrons)
• Borne - Zn = Zn 2++2e- OxydAtion  Anode (perte d’électrons)
Réaction qui se produit spontanément dans la pile Zn + Pb 2+ = Zn2+ +Pb
b) généralisation :
Lorsqu'une pile débite, il s'effectue toujours:
o l'oxydAtion du métal au pole – de la pile, l'Anode;
o la réduCtion du cation métallique au pole + de la pile, la Cathode.
3.2 Le pont salin
Le pont salin a trois rôles :
- fermer le circuit, pour permettre le passage d'un courant;
- apporter les porteurs de charge (les ions) nécessaires;
- assurer l'électroneutralité des deux solutions électrolytiques,
grâce à la migration, d'une solution à l'autre, des ions contenus
dans le pont.
COM
V
M1
M2
Pb
Pb
2+
K
+
Cl-

CHIMIE 3
Les piles
3.3 La réaction est-elle la réaction spontanée?
Soit l'équilibre chimique : Zn + Pb 2+ = Zn2+ +Pb dont la constante de réaction est: K = 2.1021.
Calculons le quotient de réaction à l'état initial :
On a : [Zn2+]i = 0,10 mol.L-1 et [Pb2+]i = 0,10 mol.L-1
Qr,i = 1. Donc Qri < K, le sens spontané de la transformation qui a lieu lorsque la pile débite est le sens direct.
Une pile est un système chimique hors-équilibre au cours de son fonctionnement.
Son bilan chimique correspond toujours au bilan de la réaction d'oxydoréduction qui peut avoir lieu spontanément
pour tendre vers un état d’équilibre.
3.4 Schéma conventionnel d'une pile
Exemple : - Zn/ Zn2+// Cu2+/Cu +
Soit la pile constituée des deux couples M1n+/M1 et M2m+/M2 dont M1 est le pôle négatif et M2 le pôle positif.
Le schéma conventionnel de cette pile est : - M1/ M1n+// M2m+/M2 +
4- Étude quantitative du fonctionnement d’une pile
4.1 Quantité d'électricité et charge de l’électron
La quantité d'électricité Q (>0) mise en jeu lors d'une réaction d'oxydoréduction est égale à la valeur absolue de la
charge totale des électrons échangés.
Le faraday, de symbole F est la valeur absolue de la charge portée par une mole d'électrons :
F = 96 500 C. mol-1.
Relation Q = n(e-). F
4.2 Quantité d'électricité et intensité
La quantité d'électricité mise en jeu par la pile pendant la durée t est : Q = I.t
Q en coulomb (C) ;
t en seconde (s) ;
I en ampère (A), courant constant
4.3 Relation entre quantités de matière, intensité et durée de fonctionnement
Q = n(e-). F = I.t
Pour utiliser cette relation il faut considérer les demi-équations électroniques, pour trouver n(e-).
4.4 Capacité d'une pile
Au cours de son fonctionnement, une pile est un système chimique hors équilibre qui évolue dans le sens spontané.
Quand l'équilibre est atteint, alors Qr,éq = K, ce qui signifie que la pile est «usée» : sa f.é.m. s'annule, la quantité
d'électricité mise en jeu a atteint la valeur maximale Qmax pendant la durée tmax.
La capacité d'une pile C est la quantité d'électricité maximale qu'elle peut fournir avant d'être usée.
C = Qmax = I.tmax

CHIMIE 4
Les piles
avec: Qmax en coulomb (C) ;I en ampère (A) ; tmax en seconde (s) ;
avec: Qmax en ampère heure (A . h). ;I en ampère (A) ; tmax en heure (h) ;
En pratique, la pile est usée lorsque le réactif limitant a été complètement consommé
5- Autres piles
5.1 La pile Leclanché, pile saline :
Les deux couples redox de cette pile sont : MnO2/Mn2+ et Zn2+/Zn
Borne positive (cathode), une réaction de réduction se fait : la réduction de MnO2 en Mn2+ suivant l'équation ci-
dessous : MnO2 (s) + 4 H+ (aq) + 2e- = Mn2+ (aq) + 2 H2O (l)
Borne négative (anode), c'est une réaction d'oxydation qui s'effectue :
Zn (s) = Zn2+ (aq) + 2e-
l'enveloppe de Zinc s'amincit au cours du temps et finit par percer. La pile finit par se trouer et la solution qu'elle
contient s'écoule dans l'appareil.
5.2 La pile Alcaline :
Il s'agit d'une variante de la pile Leclanché. Cette pile est appelée alcaline car elle fonctionne en milieu basique
(KOH).
En fonctionnement, à la borne positive (cathode), une réaction de réduction se fait : la réduction de MnO2 en Mn2+
suivant l'équation ci-dessous : MnO2 + 2 H2O + 2e- = Mn(OH)2 + 2 OH-
A la borne négative, anode, c'est une réaction d'oxydation qui s'effectue :
Zn + 2 OH- = Zn(OH)2 + 2e-
Avantages de cette pile : Elle est plus étanche que la pile Leclanché car le zinc ne constitue plus le boîtier
extérieur. Elle a une durée de vie plus longue .
MnO2
+ graphite +ZnO
Zn
NH
4
Cl + ZnCl
2
C