^{Electrochimie - Les piles}

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Dans une pile, on transforme de l'énergie chimique en énergie électrique.

Pour obtenir un courant électrique, il faut mettre des substances qui peuvent réagir ensembles (potentiel des demi-réactions positifs) en contact. Ceci non pas directement mais à l'aide de conducteurs de manière à pouvoir utiliser le courant d'électrons généré par la réaction redox. 

Nous avons vu qu'il existe deux sortes de conducteurs, pour faire un circuit complet, on utilise un conducteur pour électrons (fil métallique) et un conducteur pour ions (solution d'électrolyte).

Construction d'une pile

Si nous avons du zinc en contact avec une solution de Cu⁺⁺, voyons s'il y a une réaction:

Potentiel standards:   Zn²⁺ + 2e^-   Zn    E° =  - 0,76 V           Cu²⁺ + 2 e ^-     Cu   E° =  0,34 V

Le potentiel est supérieur pour le cuivre, il peut donc prendre des électrons au Zn et on a les réactions:

Le potentiel de la réaction globale est positif, ce qui confirme que cette réaction est spontanée.

Dans un bécher nous plongeons une barre de zinc dans une solution de sulfate de zinc (ZnSO4). Zn++/Zn forment ensembles un couple rédox. Dans un autre bécher nous mettons une barre de cuivre dans une solution de sulfate de cuivre (CuSO4). Le couple rédox dans ce cas est formé de Cu++/Cu.  Nous relions les deux métaux par un conducteur métallique externe permettant une circulation des électrons. Nous relions aussi les deux solutions d'électrolytes par un pont électrolytique qui permet de garder l'électroneutralité dans les deux béchers.

Observations

Nous avons maintenant construit une pile, et nous remarquons:

• qu'il existe une différence de potentiel entre les deux "électrodes" de cuivre et de zinc

• qu'il y a un courant qui circule, ce courant va du cuivre au zinc (le sens conventionnel du courant va du plus au moins, donc l'inverse du sens des électrons)

• que lorsque la pile débite un courant, il se produit une réaction chimique. La barre de cuivre s'épaissit et la concentration des ions Cu²⁺ diminue, et la barre de zinc s'amincit alors que la concentration des ions Zn²⁺ dans la solution augmente.

• que l'intensité du courant débité diminue au cours du temps. Lorsqu'elle est devenue nulle, le système n'évolue plus chimiquement. La pile donnera du courant jusqu'à épuisement du zinc ou des ions cuivriques (Cu⁺⁺).

Définitions

Une électrode est un solide par laquelle le courant électrique est introduit dans un liquide (ou solide ou gaz). Une électrode immergée dans une solution d'électrolytes constitue une demi-pile. En accouplant deux demi-piles on obtient une pile.

Par convention, on représente une pile par le symbolisme suivant:

Zn(s) ׀ Zn²⁺(aq) ׀ ׀ Cu²⁺/aq) ׀ Cu(s)

Exercices

 

Exercice 2:  Calculer ΔE° pour des piles basées sur les réactions redox suivantes :
a) Cr³⁺ + Cl₂    Cr₂O₇^2- + Cl^-
b) Cu²⁺ + Mg    Mg²⁺ + Cu  

Exercice 3:  Quelle est la différence de potentiel standard d'une pile formée des couples
a) Zn++/Zn et Cu++/Cu.      b) Ni++/Ni et Zn++/Zn
Ecrire les équations des réactions qui ont lieu à la cathode et à l'anode.  

Exercice 4:  Déterminer la f.é.m. d'une pile pour laquelle la réaction globale est:
Fe_(s)    +    Cd²⁺_(aq)         Cd_(s)       +     Fe²⁺_(aq)  

Exercice 5:  Les batteries de voiture sont constituée de PbO2(s) ׀ Pb²⁺(aq)  ׀  Pb²⁺/aq) ׀ Pb(s)
Déterminer sa force électromotrice.  

Exercice 6:  Pourquoi faut-il un pont électrolytique dans une pile ?