Fiche de révision : Les piles : générateurs électrochimiques

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.

• 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.
  $$\ominus\ \text{Zn}/\text{Zn}^{2+}\ //\ \text{Cu}^{2+}/\text{Cu}\ \oplus$$

• À l’anode, l’électrode de zinc subit une oxydation.
• À la cathode, l’électrode de cuivre subit une réduction.
• Équation bilan : $\boxed{\text{Zn}_{(\text{s})}+\text{Cu}^{2+}_{(\text{aq})} \to \text{Zn}^{2+}_{(\text{aq})}+ \text{Cu}_{(\text{s})}}$
• 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 $\text{Zn}^{2+}$ augmente dans son électrolyte tandis que la concentration en ion $\text{Cu}^{2+}$ 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 $I$ constante.
• La capacité d’une pile est la charge électrique maximale $Q_{\text{max}}$ qu’elle fournit tout au long de sa durée de vie.

$$\boxed{Q_{\text{max}} = I \times \Delta t_{\text{max}}}$$

• 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 :

$$\begin{aligned} Q_{\text{max}}&= n(e^-) \times N_\text{A} \times e \\ &=n(e^-)\times \text{F} \end{aligned}$$

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

Oxydants et réducteurs usuels