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Les piles : générateurs électrochimiques

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Composition et fonctionnement d’une pile

  • La pile est un générateur électrochimique. Ce système permet de fournir de l’électricité à partir de réactions chimiques.
  • Une pile permet de convertir l’énergie chimique en énergie électrique.
  • Le fonctionnement d’un générateur électrochimique se base sur le transfert spontané et indirect d’électrons (charges électriques) issus de deux réactions d’oxydoréduction se produisant dans deux compartiments séparés.

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  • À l’anode se déroule une réaction d’oxydation avec libération d’électrons. Dans une pile, c’est le pole -.
  • Alors qu’à la cathode se déroule une réaction de réduction avec consommation d’électrons. Dans une pile, c’est le pôle ++.
  • La réaction bilan de la pile se fait par transfert des électrons du pôle négatif au pôle positif.
  • Le pont salin permet de relier les deux demi-piles et assure le mouvement des électrons mais surtout la neutralité électrique des solutions afin de permettre le passage des ions. Il ferme également le circuit.
  • Dans une pile le courant circule du pôle - vers le pôle ++.

La pile Daniell

  • La pile de Daniell est constituée de deux électrodes : une de zinc et une de cuivre.
     Zn/Zn2+ // Cu2+/Cu \ominus\ \text{Zn}/\text{Zn}^{2+}\ //\ \text{Cu}^{2+}/\text{Cu}\ \oplus

piles générateurs électrochimiques la pile daniell terminale physique chimie La pile de Daniell

  • À l’anode, l’électrode de zinc subit une oxydation.
  • À la cathode, l’électrode de cuivre subit une réduction.
  • Équation bilan : Zn(s)+Cu(aq)2+Zn(aq)2++Cu(s)\boxed{\text{Zn}{(\text{s})}+\text{Cu}^{2+}{(\text{aq})} \to \text{Zn}^{2+}{(\text{aq})}+ \text{Cu}{(\text{s})}}
  • Au fur et à mesure que la pile produit un courant électrique, l’électrode de zinc perd de la masse tandis que l’électrode de cuivre en gagne.
  • De même la concentration en ion Zn2+\text{Zn}^{2+} augmente dans son électrolyte tandis que la concentration en ion Cu2+\text{Cu}^{2+} diminue dans son électrolyte.

Capacité d’une pile

  • À un certain moment, la pile n’est plus capable d’assurer le mouvement d’électrons nécessaire à l’alimentation du circuit électrique.
  • On considère qu’une pile émet pendant son fonctionnement et tout au long de sa durée de vie une intensité II constante.
  • La capacité d’une pile est la charge électrique maximale QmaxQ_{\text{max}} qu’elle fournit tout au long de sa durée de vie.

Qmax=I×Δtmax\boxed{Q{\text{max}} = I \times \Delta t{\text{max}}}

  • Les seules particules chargées qui circulent dans le circuit sont les électrons. Donc par équivalence, la capacité électrique est liée à la quantité d’électrons transférés, soit :

Qmax=n(e)×NA×e=n(e)×F\begin{aligned} Q{\text{max}}&= n(e^-) \times N\text{A} \times e \ &=n(e^-)\times \text{F} \end{aligned}

  • n(e)n(e^-) la quantité de matière, exprimé en mol\text{mol} ;
  • NAN_\text{A} la constante d’Avogadro égale à 6,02×1023 mol16,02\times 10^{23}\ \text{mol}^{-1} ;
  • ee la charge élémentaire égale à 1,602×1019 C1,602 \times 10^{-19}\ \text{C} ;
  • F\text{F} la constante de Faraday égale à 96 485 Cmol196\ 485\ \text{C}\cdot \text{mol}^{-1}.
  • Si l’un des réactifs est entièrement consommée on parlera de l’usure de la pile.

Oxydants et réducteurs usuels

Espèce chimique Caractère
eau de Javel (NaClO)(\text{NaClO}) oxydant
dichlore (Cl2)(\text{Cl}2) oxydant
acide ascorbique (C6H8O6)(\text{C}6\text{H}8\text{O}6) réducteur
dihydrogène (H2)(\text{H}_2) réducteur
magnésium Mg\text{Mg} réducteur