Ou comment transformer l’énergie chimique en énergie électrique Les piles Ou comment transformer l’énergie chimique en énergie électrique

Pile de Bagdad - IIIème av.J.C.

Luigi Galvani - 1780 Son expérience : des cuisses de grenouilles sont mises en contact avec différents métaux. Il constate des contractions ; il nomme sa découverte « électricité animale ». Malheureusement, il attribue la production d'électricité à la cuisse elle-même, ce qui se révèlera être une erreur.

Alessandro Volta - 1800 Il met l'accent sur la nécessité d'un circuit électrique fermé constitué de métaux. Au début de l'année 1800, Volta publie dans une lettre l'invention de la pile voltaïque qu'il a mise au point. Un empilement de couples de disques ZINC - CUIVRE en contact direct, chaque couple étant séparé du suivant par un morceau de tissu imbibé de saumure.

Principe Au cours du fonctionnement d’une pile, un transfert spontané d'électrons a lieu entre un métal M1 (le réducteur) et un cation métallique M2n’+ (l'oxydant).

Description Une pile est constituée par : - un premier métal M1 plongeant dans une solution contenant l'oxydant associé M1n+ (demi pile 1) - un second métal M2 plongeant dans une solution contenant l'oxydant associé M2n’+ (demi pile 2) - un pont salin reliant les deux solutions, qui sont donc séparées physiquement. Pont salin Demi pile 1 Demi pile 2

Description Pont salin Métal M1 Solution M1n+ ; X1n- Solution

Principe de fonctionnement Le sens spontané du transfert d'électrons dans une pile peut être déterminé à partir de la connaissance de la classification électrochimique des couples Ox / Réd. Soit une pile pour laquelle la réaction d'oxydoréduction spontanée est : l’ion M2n’+ réagit avec le métal M1 pour donner... On en déduit que : - l'électrode M1 constitue le pôle négatif de la pile, l'anode, où se produit l'oxydation du métal M1  ; - l’électrode M2 constitue son pôle positif, la cathode, où se produit la réduction du cation M2n’+ .

Le schéma conventionnel de la pile est - M1 / M1n+ // M2n’+ / M2 + Anode : Oxydation Le métal perd des électrons pour devenir l’ion Cathode : Réduction Les cations gagnent des électrons pour devenir le métal

Les caractéristiques d’une pile un pôle positif (P) et un pôle négatif (N), les électrons (cédés par M1) circulant de N vers P ; une force électromotrice (f.é.m.) E, tension « à vide » ; l’intensité I du courant qu'elle débite dans un circuit, dont le sens est de P vers N à l’extérieur de la pile.

Les caractéristiques d’une pile La quantité d'électricité mise en jeu lors d'une réaction d'oxydoréduction pendant la durée Δt est Q = I x Δt La quantité d'électrons échangés au cours de la réaction d'oxydoréduction est n(e-) = Q / F F est une constante, le Faraday ; c’est la charge portée par une mole d’électrons. F = 9,63 x 104 C.mol-1

Étude d’un exemple La pile Daniell est une pile zinc - cuivre (1836). La demi-pile « cuivre » est constituée par une lame de cuivre et par une solution aqueuse de sulfate de cuivre II (volume V1 = 50 mL) de concentration en soluté apporté C1 = 1,0 mol.L–1 . La demi-pile « zinc » est constituée par une lame de zinc et par une solution aqueuse de sulfate de zinc II (volume V2 = 50 mL) de concentration en soluté apporté C2 = 1,0 mol.L–1 .

Les demi-piles sont reliées par un pont salin : un tube de verre en U est rempli d’une solution ionique gélifiée de chlorure de potassium, dont les ions sont inertes chimiquement par rapport aux espèces chimiques contenues dans les demi-piles. On relie les électrodes par un milliampèremètre et un conducteur ohmique en série. Observation : le courant électrique circule, à l’extérieur de la pile, de l’électrode de cuivre vers l’électrode de zinc. L’intensité du courant est de 20 mA. On laisse la pile fonctionner ainsi pendant 2,0 h.

Questions a- Établir le schéma conventionnel de la pile b- Schématiser la pile et le circuit électrique ; préciser le signe de chaque borne de la pile ; indiquer le sens du courant électrique et le sens de déplacement des électrons dans le circuit. c- A quelle électrode de la pile les électrons sont-ils produits ? Écrire la demi équation de la transformation correspondante. Oxydation ou réduction ? d- A quelle électrode de la pile les électrons sont-ils consommés ? Écrire la demi équation de la transformation correspondante. Oxydation ou réduction ? e- Nommer chacune des électrodes. f- Indiquer sur le schéma le mouvement des cations dans chaque bécher ; indiquer le mouvement des ions dans le pont salin.

Questions g- Comment évolue la concentration en ions Cu2+ dans la demi-pile « cuivre » ? Comment évolue la concentration en ions Zn2+ dans la demi-pile « zinc » ? h- Comment évolue la masse de cuivre solide ? Comment évolue la masse de zinc solide ? i- Écrire l’équation de la réaction (globale) d’oxydoréduction qui a lieu au sein de cette pile ; cette réaction est-elle spontanée ? Entre quelles espèces chimiques le transfert d’électrons a-t-il lieu ? Ce transfert est-il direct ou indirect ?

Questions j- Etude quantitative de la pile : on suppose que l’intensité I mesurée reste constante. 1- Calculer la quantité d’électricité Q (charge en coulomb) qui circule pendant l’expérience. 2- Calculer la quantité de matière d’électrons qui circulent pendant l’expérience. 3- Calculer la variation de masse de l’électrode en cuivre. 4- Calculer la variation de masse de l’électrode en zinc. 5- Calculer les variations de concentrations en ions métalliques dans les solutions.