Une pile, aussi appelée générateur électrochimique, est un appareil produisant de l’électricité en mettant en jeu une réaction chimique.
L’équation représentant une réduction ou une oxydation met en jeu un ou plusieurs électrons : elle est appelée demi-équation électronique.
Dans une pile, on observe une oxydation et une réduction :
l’anode est l’électrode où se produit l’oxydation ;
la cathode est l’électrode où se produit la réduction.
Le défaut ou l’excès d’électrons de valence d’un élément constitutif d’une espèce chimique est appelé nombre d’oxydation de cet élément dans cette espèce chimique.
Le nombre d’oxydation d’un élément augmente quand il est oxydé, et diminue quand il est réduit.
Le n.o. est très souvent indiqué en chiffres romains.
Pour calculer les nombres d’oxydation :
égal au nombre de charges électriques d’un corps pur.
−II pour l’oxygène sauf dans la molécule de dioxygène.
+I pour l’hydrogène sauf dans la molécule de dihydrogène.
la somme des n.o. dans un corps composé est égale au nombre de charges.
Deux espèces chimiques ayant en commun un élément à des nombres d’oxydation différents forme un couple oxydant/réducteur, ou ox/red.
L’oxydant est celui présentant le nombre d’oxydation le plus élevé.
Les deux espèces sont liées par la demi-équation : oxn++ne−=red.
Le signe d’égalité signifie que deux réactions sont possibles : une réduction vers la droite, une oxydation vers la gauche.
Le potentiel électrochimique d’un couple ox/red, noté E et exprimé en volt (V), est une caractéristique mesurée expérimentalement.
Il s’agit de la différence de potentiel, ou tension électrique, aux bornes d’une pile présentant ce couple ox/red à une électrode et le couple H2O/H2 à l’autre électrode.
Soit deux couples ox/red de potentiels différents.
L’oxydant du couple au potentiel le plus élevé peut oxyder le réducteur de l’autre couple de manière spontanée : aox1+bred2→cred1+dox2.
La réaction inverse n’a pas lieu. Aucun électron n’apparaît dans l’équation-bilan équilibrée.
Évolution d’une réaction chimique
La variable x est appelée avancement. Celle-ci est mesurée en mole et représente la progression de la transformation chimique.
On présente dans un tableau d’avancement les quantités disponibles de chaque espèce chimique au cours de la progression de la transformation chimique.
Les quantités de matière consommées et formées y sont des multiples de x.
Une transformation totale ne s’arrête que quand un réactif au moins est épuisé.
Les réactions d’oxydoréduction sont généralement totales.
L’avancement final est la valeur de l’avancement de la réaction dans l’état final.
Si la réaction est totale, l’avancement final est aussi appelé avancement maximal.
L’avancement final et l’avancement maximal dépendent de la réaction étudiée et de l’état initial.
On peut donc, dans le cas d’une réaction totale, prévoir l’état final et l’avancement final, connaissant les quantités initiales de réactifs.
Si aucun réactif n’est limitant ni en excès, le mélange initial est dit stœchiométrique.
Pour ce faire, les réactifs doivent y être présents dans les proportions indiquées dans l’équation-bilan équilibrée.