Chap 11 et 12 - Les piles (C.2)

I ) Transfert d'électrons :

Dans le chapitre précédent, on a constaté que le transfert ……….. et ……….. d'électrons du réducteur vers l'oxydant est possible.

Si on sépare les espèces chimiques, on peut réaliser un transfert ……….. et ……… du réducteur vers l'oxydant en les reliant par un conducteur métallique. C'est le principe d'une …..

II ) Constitution d'une pile électrochimique :

1) Définition :

Une pile électrochimique est un ………….. qui transforme de l'énergie chimique fournie par une réaction d'…………………..  …………. en énergie électrique.

2) Description :

Une pile est composée de :

Deux compartiments séparés appelés ………….. contenant chacun une …………. (matériau conducteur, en général des métaux ou du carbone) et une solution ……………

Un ………… ou une paroi poreuse reliant les 2 …………...

 

Chaque …………. est composée des espèces d'un couple ………../………..
Souvent le couple est formé d'un ion métallique Mⁿ⁺ et du métal M.
L'électrode alors constituée du métal M.
Dans certains cas, l'électrode est constituée d'un matériau conducteur inerte.

L'oxydant et le réducteur du couple sont alors dans la …………..

Le pont salin est constitué d'un tube en U creux rempli d'une solution gélifiée ……………. concentrée (ou d'une simple feuille de papier imbibé d'une solution …………..).
Les ions présents dans le pont salin (en général K⁺ et Cl^- ou NO₃^-) n'interviennent pas dans la réaction d'oxydoréduction. Leur rôle est de permettre le passage du ……….. dans la pile et d'assurer la …………. électrique des solutions.

3) Exemple : Pile Daniell

On associe une demi-pile de couple Cu²⁺ /Cu et une demi-pile Zn ²⁺ /Zn reliées par un pont salin .
Dans un bécher contenant une solution de sulfate de cuivre(II) à 0,10mol.L^-1 , trempe une lame de cuivre et dans un autre bécher contenant une solution de sulfate de zinc à 
0,10mol.L^-1, trempe une lame de zinc.

Dans la pile inventée par M. Daniell, le pont salin est remplacée par une……… …...

 

 

III ) Fonctionnement de la pile :

1) Etude expérimentale :

Si on relie les électrodes de la pile par un ……… comprenant en ……., une ………… R et un ……………… , celui-ci indique le passage d'un ……….., la pile débite. C'est un ……….. .

On peut ainsi connaître le …… du courant et déterminer la polarité de la pile, pôle et pôle pour chaque ………. .

Rappel : le courant sort du pôle … du générateur et rentre au pôle … du générateur.

Dans le cas de la pile Daniell , le courant sort de l'électrode de cuivre , pôle … et rentre à l'électrode de zinc, pôle … .

Attention, l'ampèremètre se branche en ……, à la ……. d'un composant. Le courant doit entrer par la borne .. et sortir par la borne ….., sinon l'ampèremètre indique un signe -, cela signifie que le courant circule en sens …….. .

expérience : pile Daniell avec paroi poreuse : R = 10 Ω
Uo = ....... .. et I = .............

 

 

 

 

2) Mouvement des porteurs de charges :

Les porteurs de charges sont des entités qui en se déplaçant, assurent le passage du ……… .

Lorsque la pile débite, les porteurs de charges sont de deux sortes  :

Dans le circuit extérieur à la pile, ce sont des ………… qui circulent dans les fils et les conducteurs en sens ......................

Dans le pont salin et dans les solutions, ce sont des …… qui se déplacent. Le mouvement des …. dans le pont salin permet aux solutions de rester électriquement ………..
Dans la demi-pile où se forment des cations (électrode négative) le pont salin apporte de …… et dans la demi-pile où les cations sont consommés (électrode positive) le pont salin apporte des ……...

La pile est bien un circuit ………, condition indispensable pour le passage du courant.

3) Les réactions de chaque demi-pile et de la pile :

a) Pile Daniell :

L'électrode de zinc est le pôle …, elle ……… des électrons e^-  au circuit :  ….. = …………
Il y a …………. de … en ….

L'électrode de cuivre est le pôle …, elle …….. les électrons …… :  ………….. = ………….
Il y a …………. de ….. en …...

Bilan : ….. + …… = …… + ……

 

b) Généralisation :  couples  Ox₁/Red₁ et Ox₂/Red₂

A la borne …, il y a ………. du réducteur 1  :  a Red₁ = b Ox₁ + n₁ e^-

A la borne…, il y a ……….. de  l'oxydant 2   :  c Ox₂ + n₂ e^- = d Red₂

 

Bilan :                ( a Red₁ = b Ox₁ + n₁e^-  ) x n₂

                  ( c Ox₂ + n₂e^- = d Red₂  ) x n₁

      a.n₂ Red₁ + c.n₁ Ox₂  = b.n₂ Ox₁ + d.n₁ Red₂

4) Critère d'évolution spontanée

On peut utiliser le critère d'évolution spontanée pour déterminer les pôles et de la pile.

La réaction de la pile est caractérisée par une constante d'équilibre K.

Le système est caractérisé par le quotient de réaction Q_r . Lorsque la pile débite, les quantités des espèces chimiques changent, Q_r change, le système est ….. ………….

Si l'équilibre est atteint, la pile ..................., elle ........................... de courant.

 

exemple : pile Daniel avec solutions de concentrations 0,1 mol.L^-1

….. + …… = …… + ……    K = 2.10³⁷   ,  Q_r = [….. ]_i / […… ]_i = …. / ….. = ..  … K

Le système évolue dans le sens ……. L'électrode de zinc ……. des électrons, c'est le pôle….

L'électrode de cuivre ……. les électrons, c'est le pôle ….

5) Représentation formelle d'une pile :

a) Cas de couples de la forme Mⁿ⁺ / M ( M métal servant d'électrode).

La représentation formelle de la pile est obtenue en plaçant la borne à gauche, la borne à droite et en indiquant les espèces chimiques rencontrées dans la pile.

Le pont salin (ou la paroi poreuse) est représenté par une double barre // .

M / Mⁿ⁺ // M^p+ / M      ex : .... / .... // .... / ....

 

b) Cas de couples sans métal :

L'électrode est alors constituée d'un conducteur inerte (le platine Pt ou le carbone).

Pt / Red₁ / Ox₁ // Ox₂ / Red₂ / C     Pt / Fe²⁺ / Fe³⁺ // Ag⁺ / Ag / C    

IV ) Grandeurs caractéristiques :

1) Force électromotrice E et résistance interne r : 

La caractéristique intensité-tension d'une pile est le graphique représentant U_PN en fonction de I .

( voir T.P.)

Son équation est :   U_PN = ……....

E est la force électromotrice (f.e.m) de la pile, mesurée en volt(V). E > 0
C'est la tension aux bornes de la pile lorsqu'elle ………….. ( I =… A).

Pour la mesurer, on branche un voltmètre aux bornes de la pile ….. circuit, E est la valeur absolue de la mesure.

r est la résistance interne de la pile, mesurée en ohm (Ω).

Elle est égale à l'opposé du coefficient directeur de la caractéristique intensité-tension.

I_CC est le courant de……………...

2) Capacité en charge de la pile :

a) Quantité d'électricité débitée :

Lorsqu'une pile débite un courant d'intensité I constante pendant une durée t , la quantité d'électricité Q vaut :  

Q = ………   Q en …………(…) (parfois en Ah) , I en ……..(…) et t en s.

 

On appelle capacité de la pile, la quantité maximale d'électricité fournie Q_max par la pile :

Q_max = …………

Lorsque la pile débite, Q_r évolue jusqu'à atteindre la ................................... La pile est alors ..............

 

Soit n_max la quantité de matière en mol d'électrons échangés pendant t_max,  Q_max = …………

N_A : nombre d'Avogadro (N_A = 6,02.10²³mol^-1) ; e : quantité d'électricité transportée par un électron

 

Le produit N_A.e  est appelé faraday et noté F.  1 F = N_A.e  = 6,02.10²³ x 1,6.10^-19 = 96320 C.mol^-1

On utilise souvent   1 F ≈ 96 500 C.mol^-1              Q_max = n_max . F

 

b) Calcul de n :

Pour les calculs, on utilise les demi-équations pour relier les quantités de matière consommées ou produites à n.   

Demi-équations : : a Red₁ = b Ox₁ + n₁e^-     et    c Ox₂ + n₂e^- = d Red₂ 

Si on tient compte de la disparition de Red₁, n = ….n(Red₁)_consommés/…

Si on tient compte de la disparition de  Ox₂ , n = ….n(Ox₂)_consommés/…

Si on tient compte de la formation  de  Ox₁ ,  n = ….n(Ox₁)_formés/…

Si on tient compte de la formation  de  Red₂ , n = ….n(Red₂)_formés/…

On peut alors calculer I :   I = …. = …….

Inversement, connaissant I et t, on peut calculer n et les quantités consommées ou formées.

Pour déterminer la capacité de la pile Q_max , il faut déterminer x_f l'avancement final.

x_f peut être atteint lorsque l'équilibre est atteint ( Q_r = … ) ou lorsqu'un des réactifs a été complètement ……………, on tient alors compte de la quantité initiale du réactif ………...

 

Remarque : Une pile n'est pas rechargeable contrairement à un accumulateur. Le terme "pile rechargeable" ne devrait pas être utilisé à la place d'accumulateur.

V ) Exemple de pile :  La pile Leclanché ou pile saline :

Le pôle négatif est constitué par le métal zinc Zn qui est en contact avec du chlorure de zinc en solution aqueuse gélifiée Zn²⁺+2Cl^-. (couple Zn²⁺/Zn)

L'électrolyte est une solution acide gélifiée de chlorure d'ammonium NH₄⁺ + Cl^-.

Le pôle positif est un bâton de graphite (carbone). C'est une électrode inerte en contact avec du dioxyde de manganèse, oxydant du couple MnO₂ / MnO(OH).

Le graphite en poudre assurent une meilleure conduction.

Demi-équations  :

…. =……..+…e^-  et  ……….+....+ e^- = …………

Bilan : ….+ ……..+……..=…….+…………….

La force électromotrice proche de 1,5V. Le réactif en défaut est le dioxyde de manganèse.

 

Cette pile est dite "sèche" car elle ne contient pas de ……… mais un … évitant à la pile de ……..

L'électrolyte de la paroi poreuse est un sel, pour cette raison, la pile est dite "pile ……….".

 

Dans d'autres piles dites "piles alcalines", l'électrolyte est basique (alcalin), par exemple une solution gélifiée d'hydroxyde de potassium (K⁺ + HO^-).

Les piles boutons plus énergétiques sont à l'oxyde d'argent : Zn / ZnO // Ag₂O / Ag / C  

 

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