Exemples

Quelques exemples de piles
 pile Leclanché ou pile saline :
 Pile inventée par l’ingénieur français Georges leclanché ( 1839-1882 ) qui en déposa le brevet en 1867.
f.é.m. = 1,5 V
Cathode (électrode +) :
Elle est constituée de C graphite.
Elle ne participe pas aux réactions (collecteur d’e-) : elle ne sert qu’à assurer le contact
électrique.
Cette électrode est au contact du dioxyde de manganèse qui est l'oxydant du couple
MnO2 / MnO(OH).
Elle se trouve au centre de la pile.
Electrolyte gélifié: solution gélifiée ( NH4Cl, ZnCl2 )
d’où l’expression de pile « saline ».
Ce sont des « sels » composés ioniques solubles qui constituent le pont conducteur entre les
2 compartiments.
Anode (électrode -): Zn métal à l’extérieur.
Des grains de graphite assurent une meilleure conduction.
Les deux couples d’oxydoréduction intervenant dans cette pile sont : MnO2(s) / MnO(OH)(s) et Zn2+(aq)/ Zn(s).
Questions :
1. L’électrolyte contient des ions ammonium. A-t-il un caractère acide ou basique ?
2.
Donner la représentation symbolique de la pile Leclanché.
3.
Ecrire les équations électroniques des réactions se déroulant aux électrodes puis en déduire l’équation de
fonctionnement de la pile.
pôle + : Couple …………………………………………………
pôle - : Couple………………………………………
Equation:
4.
Une pile Leclanché débite un courant de 200 mA pendant 2 h 30 min.
a. Calculer la quantité d’électricité Q qui a circulé dans le circuit. L’exprimer en Coulomb et en ampère-heure.
b. Exprimer l’avancement final en fonction de Q.
La pile est déchargée lorsque l’une au moins des 2 espèces a disparu.
En pratique MnO2 est en défaut pour que le boîtier en Zn ne soit pas percé à la fin de la décharge.
c.
En déduire la valeur de la diminution de masse de l’électrode de zinc.
 Pile alcaline ou Mallory :
Les réactifs sont les mêmes que ceux de la pile Leclanché (Zn et MnO 2) mais l’électrolyte
est basique (solution gélifiée d’hydroxyde de potassium).
Cathode (électrode +) : poudre de graphite reliée à un boîtier en acier
Anode (électrode -): poudre de zinc répartie autour d’un clou en acier.
Questions :
1. Compléter les équations des réactions:
pôle + : Couple MnO2(s) / MnO(OH)(s)
MnO2(s) + H2O(gel) + ................ = MnO(OH)(s) + ...............
pôle - : Couple ZnO(s)/Zn(s)
Zn(s) + ... OH-(gel) = ZnO(s) + ...... H2O(gel) + 2 ......
Equation:
2.
Pourquoi ce type de pile est-il appelé « pile alcaline » ?
Remarques :
 les piles plates contiennent 3 piles en série de f.é.m. de 1,5V.
42% des piles fabriquées sont des piles salines, 53% des piles alcalines ( type Mallory ) et 5% des piles boutons.
 Piles boutons : ce sont des piles alcalines où l’oxydant est de l’oxyde d’argent Ag2O ou oxyde de mercure MgO. Ces piles sont
polluantes !
 Étude de la pile Cuivre-Argent (2003 Liban)
A partir des couples oxydant/réducteur Cu2+(aq)/Cu(s) et Ag+(aq)/Ag(s) on peut envisager deux transformations dont les réactions
peuvent être schématisées par les équations suivantes :
Cu(s) + 2 Ag+ (aq) = 2 Ag(s) + Cu2+(aq) (1)
Cu2+ (aq) + 2 Ag(s) = 2Ag+(aq) + Cu(s) (2)
Les constantes d'équilibres de ces réactions sont K1 = 2,1 x 1015 et K2 = 4,8 x 10-16.
A – Transformation chimique spontanée par transfert direct d'électrons
Un élève réalise l'expérience dont le protocole est donné ci-dessous :
Verser dans un bécher un volume V1 = 50 mL de solution de sulfate de cuivre (II) de concentration molaire
C1 = 1,0 mol.L-1 et un volume V2 = 50 mL d'une solution aqueuse de nitrate d'argent de concentration molaire
C2 = 0,50 mol.L-1. La solution de sulfate de cuivre est bleue, celle de nitrate d'argent incolore.
- Plonger un fil d'argent et ajouter 3 g de poudre de cuivre de couleur rouge.
- Agiter
- Filtrer la solution obtenue et observer sa couleur.
L'élève note dans son compte rendu de TP: "On observe un léger dépôt gris et une intensification de la coloration bleue"
1. Parmi les deux réactions possibles quelle est celle associée à la transformation chimique du système?
2. Rappeler le critère d'évolution spontanée.
3.Calculer le quotient de réaction initial puis, en appliquant le critère d'évolution spontanée, montrer que le sens d'évolution
prévu est compatible avec les observations expérimentales de l'élève.
B – Constitution et fonctionnement de la pile cuivre-argent en circuit fermé
On dispose :
d'un fil de cuivre et d'un fil d'argent,
d'une solution de sulfate de cuivre (II) de volume V1 = 50 mL et de concentration molaire C1 = 1,0 mol.L-1,
d'une solution de nitrate d'argent de volume V2 = 50 mL et de concentration molaire C2= 1,0 mol.L-1,
d'un papier imbibé de nitrate de potassium pouvant constituer un pont salin.
1. Faire un schéma de la pile réalisable avec le matériel donné ci-dessus
2. On observe dans le circuit extérieur le passage d'un courant électrique de l'électrode d'argent vers l'électrode de cuivre.
a) Préciser sur votre schéma le sens de circulation des électrons dans le circuit et la polarité des électrodes.
b) Écrire les équations des réactions modélisant les transformations ayant lieu à chaque électrode.
c) Écrire l'équation de la réaction associée à la transformation ayant lieu dans la pile.
d) La pile cuivre argent en fonctionnement est-elle un système dans l'état d'équilibre ou hors équilibre? Justifier en
utilisant le critère d'évolution spontanée.
3. Cette pile délivre un courant d’intensité I = 12 mA pendant une durée t = 10 h dans un circuit électrique. Calculer la
quantité de matière n(e-) d’électrons transférés spontanément.
4. En s’aidant d’un tableau d’évolution, calculer la masse du dépôt métallique notée m(Ag) sur l’électrode d’argent.
Equation de la réaction
Etat du système
Avancement
(
)
Quantités de matière en mol
Etat initial
En cours de
transformation
Etat final
5.
La pile cesse de fournir du courant électrique quand elle atteint son état d’équilibre. On souhaite calculer la durée
maximale d’utilisation de la pile notée tmax en supposant que l’intensité moyenne du courant qui circule dans la pile est
toujours égale à 12 mA.
a. Déterminer le réactif limitant.
b. Calculer la quantité maximale d’électricité délivrée par la pile.
c. En déduire la durée de vie tmax de la pile.