Les Piles

Rappels :

Oxydant : espèce chimique qui est susceptible de gagner un ou plusieurs électrons.

Réducteur : espèce chimique qui est susceptible de perdre un ou plusieurs électrons.

Couple oxydant/réducteur : ox + ne^- = red ( demi équation d’oxydoréduction)

Une réaction d’oxydoréduction met en jeu un transfert d’électrons du réducteur du 1^er couple ver l’oxydant du 2^eme couple.

Ox₁/Red₁ et Ox₂/Red₂

a Red₁ + b Ox₂ = c Ox₁ + d Red₂

Transfert spontané d’électrons :

1° Transfert spontané direct :

Soit un système constitué de ( Zn²⁺ + SO₄^2-), de (Cu²⁺ + SO₄^2-) et de cuivre et zinc métallique.

Equation de la réaction susceptible de se produire :

Cu²⁺ + Zn = Cu + Zn²⁺ K = 1,9.10³⁷

[Cu²⁺] = 0,1 mol.l^-1 Qr,i = [Zn²⁺ ]/ [Cu²⁺] = 1,0

[Zn²⁺ ] = 0,1 mol.l^-1

Qr,i £ K

Donc le système évolue dans le sens direct de l’équation de cette réaction d’oxydoréduction. Donc mise en jeu d’un transfert d’électrons de Zn qui est le réducteur du couple Zn²⁺/Zn vers les ions Cu2+ oxydant du couple Cu²⁺/Cu. Ce transfert ce fait par contact entre le zinc métallique et les ions cuivre Cu²⁺.

2° Transfert spontané indirect :

Peut-on réalise un transfert spontané indirect d’électrons ?

Pont salin : feuille

De papier filtre inhibé d’une

Solution de nitrate d’ammonium

Porteur de charges : dans les métaux : des électrons

Dans les solutions : des ions.

Le courant traverse la résistance et l’ampèremètre en allant du cuivre vers le zinc. Les plaques métalliques, les fils électriques, l’ampèremètre et la résistance sont parcourue par des électrons qui se déplace en sens inverse du courant.

Les solutions ioniques utilisées sont le siège d’un déplacement d’ions.

Les ions Zn²⁺, Cu²⁺ et NH₄⁺ se déplace dans le sens du courant mais pas les ions SO₄^2- et NO₃^-.

Que se passe-t-il au niveau des plaques ?

Des électrons se déplacent dans le circuit formé par la résistance, l’ampèremètre de la plaque de zinc vers la plaque de cuivre.

D’où proviennent ces électrons ? de l’oxydation du zinc métallique

Zn = Zn²⁺ + 2e^-

Que deviennent les électrons qui arrivent dans la plaque de cuivre?

Ils n’existent pas en solution aqueuse et ne peuvent s’accumuler dans la plaque. Ils sont consommés à l’interface métal solution par la réduction des ions Cu2+ en cuivre métallique : Cu²⁺ + 2e^- = Cu

Il y a échange d’électrons entre le zinc (métal) et les ions Cu2+ de façon indirecte par l’intermédiaire du circuit extérieur.

Bilan : Cu2+ + Zn = Cu + Zn2+

L’évolution spontanée de ce système ce fait dans le sens direct de l’équation ci-dessus.

III) Constitution d’une pile et fonctionnement :

1° Constitution d’une pile :

L’ ensemble formé par deux métaux plongé dans des solutions contenant leur oxydant conjugué constitue un générateur lorsque les deux solutions sont relie par un pont salin. Chaque compartiment est appelle demi-piless.

Pile schématisée :

- Zn/Zn²⁺ Cu²⁺/Cu +

généralisation :

2° Force électromotrice d’une pile :

Un voltmètre électronique branche au borne d’une pile permet de mesure sa force électromotrice (fém) noté E.

E _Cu-Zn = 1,1 V Þ l’électrode en Cu = pole +

Vcu ³ Vzn l’électrode en Zn = pole -

3° Fonctionnement d’une pile :

Le courant circule à l’extérieur de celle-ci, du pole + vers le pole -, c'est-à-dire de l’électrode de cuivre vers l’électrode de zinc.

Les électrons se déplacent eux de l’électrode de zinc vers l’électrode de cuivre.

Les réactions qui se produisent aux électrodes se déduisent :

A l’électrode de zinc, pole - de la pile : le zinc oxydé en Zn²⁺

A l’électrode de Cuivre, pole + de la pile : Cu²⁺ est réduit en Cuivre.

A l’intérieur de la pile les cations se déplacent dans le sens du courant. Les Anions se déplacent dans le sens opposé du courant.

Evolution des concentrations des ions dans les demie piles :

-dans la demi pile Cu²⁺/Cu les ions Cu²⁺ son consommé et [Cu²⁺] diminue.

-Dans la demi pile Zn²⁺/Zn les ions Zn²⁺ sont forme et [Zn²⁺] augmente.

L’électroneutralité des 2 solutions est maintenue grâce au déplacement des ions dans le pont salin.

4° Evolution spontanée d’une pile :

- Zn/Zn²⁺ Cu²⁺/Cu +

équation de la réaction :

Cu²⁺ + Zn = Cu + Zn²⁺

Qr,i = 1,0 K = 1,9.10³⁷

Qr,i K Qr Qr,i £ K

Evolution dans le sens direct jusqu’a ce que le système soit à l’équilibre avec Qr,éq = K

Le sens d’évolution permet de retrouver le sens des réactions aux électrodes.

Remarque : Lorsqu’une pile produit du courant le système évolue, elle constitue un système or équilibre. Une pile a l’équilibre est une pile qui ne produit plus de courant, c’est à dire une pile usée.

IV) Quantité d’électricité fournit :

1° définition :

La quantité Q mise en jeu au cour du fonctionnement d’un générateur électrochimique est égale à la valeur absolue de la charge totale des électrons échange.

Q = n(e-).F

1F = Na.e = 96 500

Une pile débitant un courant d’intensité constant I pendant une durée T fait circuler une quantité d’électricité :

Q = I.T

La capacité d’une pile est la quantité maximale d’électricité qu’elle peut fournir.

2° Quantité de matière mise en jeu :

Activité :

- Cu/Cu²⁺ Ag⁺/Ag +

Au pole – oxydation du cuivre

Au pole + réduction de l’ion Ag⁺

Cu = Cu²⁺ + 2e^-

2Ag⁺ + 2e^- = 2Ag

Þ 2Ag⁺ + Cu = 2Ag + Cu²⁺

Cette pile débite un courant d’intensité i = 86 mA pendant T = 1,5 min.