Les piles électrochimiques
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Schématiser une pile .
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Utiliser le critère d'évolution spontanée pour
déterminer le sens de déplacement des porteurs de charges dans une pile .
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Interpréter le fonctionnement d'une pile en disposant
d'une information parmi les suivantes : sens de circulation du courant
électrique, f.é.m., réactions aux électrodes, polarité des électrodes ou
mouvement des porteurs de charges .
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Écrire les réactions aux électrodes et relier les
quantités de matière des espèces formées ou consommées à l'intensité du courant
et la durée de la transformation dans une pile.
Introduction
Alessandro VOLTA invente la première pile
à colonne en mars 1800 mais il faudra attendre 1836 pour que John Frédéric
DANIELL invente la première pile électrochimique à offrir une source d'énergie
durable.
En 1867, Georges LECLANCHÉ invente la
première pile saline qui ne nécessite aucun entretien.
Une pile électrochimique est un générateur
qui transforme de l'énergie chimique fournie par une réaction d'oxydoréduction
spontanée en énergie électrique.
1.Types de transfert spontané
d'électrons.
1.1Transferts spontanés directs d'électrons.
Transfert
direct entre le Zinc métal et l'ion cuivre II
Expérience :
Plaçons une lame de cuivre dans un bécher
contenant une solution bleue de sulfate de cuivre Plaçons une lame de zinc dans
un bécher contenant une solution de sulfate de zinc.
Observations :
Après quelques minutes, la lame de zinc se
recouvre d'un dépôt rouge brique de cuivre.
Conclusion :Il y a un transfert d’électrons spontané et direct entre le zinc et les ions cuivre II selon l’équation de réaction : Zn(s) + Cu²+(aq) → Zn²+(aq) + Cu(s)
Cette réaction a une constante de réaction
de l'ordre² de K=1037,déduire le sens d'évolution de la
transformation d'après le critère d'évolution spontanée.
Selon le critère d'évolution spontanée, la
réaction évolue dans le sens direct de formation des ions Zn2+(aq) et
du cuivre solide Cu(s).La réaction est considérée comme totale.
Le transfert d'électrons entre le zinc
solide Zn(s) et l'ion cuivre(II) Cu2+(aq) se fait de
façon directe et spontanée
1.2.Transferts spontanés indirect d'électrons
Pile Daniell
Le transfert spontané d'électrons peut se
réaliser via
un circuit électrique extérieur.
Les couples oxydant/réducteur sont alors
séparés et la transformation chimique n'a lieu
que si on
les relie par un « pont » conducteur.
La transformation chimique qui a lieu est
identique
à celle où il y a eu transfert direct
d'électrons.
Cu2+(aq) + Zn(s) ⇄ Cu(s) + Zn2+(aq)
2.
Constitution d'une pile électrochimique
a. définition de la pile :Une pile électrochimique est un dispositif
qui convertit une énergie chimique en énergie électrique
b. Constitution d'une pile
électrochimique
Une pile électrochimique est constituée de
deux compartiments distincts contenant chacun un couple oxydant / réducteur qui
sont reliés par un pont salin.
La demi-pile
Une demi-pile est constituée d'une plaque
de métal M(s), appelée électrode, qui plonge dans une solution électrolytique
contenant l'ion métallique Mn+(aq) associé au métal M(s).
Autrement dit chaque demi-pile contient
l'oxydant et le réducteur d'un couple.
Le pont salin :
Le pont salin fait le lien entre les deux
demi-piles, il est constitué d'un électrolyte (conducteur ionique)
Le rôle du pont salin :
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La fermeture du circuit pour permettre la circulation
de courant électrique entre chaque demi-pile
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L’électroneutralité des solutions de chaque demi-pile.
2.2.schéma : pile Daniell
2.3.Equations des réactions dans la pile Daniell
Équations des réactions dans la pile Daniell
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Dans le circuit électrique, il y a circulation
d'électrons.
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Ils constituent le courant continu généré par la pile.
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Au niveau de l'électrode de cuivre, il y a réduction
des ions cuivre de la solution, selon la demi-équation électronique :
·
Le cuivre formé se dépose sur l'électrode, qui grossit
durant le fonctionnement de la pile. Comme la réaction est une réduction,
l'électrode de cuivre est la cathode.
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L'électrode de cuivre est la borne positive de la
pile.
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Au niveau de l'électrode de zinc, il y a oxydation de
celui-ci, selon la demi-équation électronique :
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L'électrode de zinc est progressivement consommée.
Comme il s'agit d'une réaction d'oxydation, l'électrode de zinc est l'anode.
·
L'électrode de zinc est la borne négative.
Réaction globale d’oxydoréduction:
c. les porteurs de charge
Déplacements des porteurs de charge dans
la pile Daniell
porteurs de charge sont des électrons, ils se déplacent
dans le sens contraire du sens conventionnel du
courant électrique
Dans les électrolytes, les porteurs de
charge sont les ions.
Les cations(+) se déplacent dans le sens
du courant électrique.
Les anions(-) se déplacent en sens
contraire du courant.
d. Écriture conventionnelle de la pile Daniell
On symbolise la pile Daniell par la
notation suivante :
On peut ainsi lire que les couples rédox
de la pile sont et . D'autre part, cette notation fait apparaître que
l'électrode de cuivre est la borne + et l'électrode en zinc la borne –.
Le symbole // désigne le pont salin.
3.Quantité d'électricité débitée une
pile électrochimique.
3.1.Application du critère d'évolution
Si l'on considère la pile Daniell, l'équation de la réaction globale s'écrit :
La constante d'équilibre associée à cette réaction est : K = 2,8.1036. Calculons le quotient de réaction dans l'état initial :
En supposant des concentrations
initiales identiques, dans chaque compartiment : Qr,i = 1. Par conséquent Qr,i
< K : le système évolue donc spontanément dans le sens direct. Au cours du
fonctionnement la concentration des ions zinc augmente et celle des ions cuivre diminue : Qr augmente ! La pile est
donc un système chimique hors équilibre, qui évolue spontanément, si la liaison
est assurée, vers un état d'équilibre.
3.2.Évolution et bilan de matière
Au cours du fonctionnement de la pile, il circule une quantité d'électricité Q = I.∆t
si l'intensité I est constante.
Cette charge correspond à un déplacement de N électrons dans le circuit : Q =
N.e (e charge élémentaire).
N = n(e–).NA où NA représente le nombre d'Avogadro et n(e–)la quantité d'électrons est exprimée en mol . La charge électrique qui s'est déplacée est Q = n(e–).NA.e
La grandeur NA×e
correspond à la valeur absolue de la charge d'une mole d'électrons et est
appelée constante de faraday et notée F
F = NA.e = 6,022.1023×1,602.10–19 =
9,65.104 C.mol–1 .
Ainsi : Q = n(e-).F = I. 𝞓t
Exercice d'application
On mesure une augmentation de la masse de
l'électrode de cuivre égale à 0,12 g. La pile Daniell a débité une intensité
constante égale à 100 mA. Quelle a été la durée de fonctionnement de la pile ?
On donne M(Cu)=63.5 g.mol-1
Correction de l'exercice
on peut construire un tableau d'avancement
à la cathode :
La variation de la quantité de matière
d'ion Cu2+ est Δ: n(Cu2+) = nf(Cu2+)
– ni(Cu2+) = = – xf
La variation de la quantité de matière de
cuivre métal est : Δn(Cu) = nf(Cu) – ni(Cu) = xf
Le nombre d'électrons échangés est :
n(e-) = 2.xf. Ainsi n(e-) =
2.Δn(Cu) ou encore n(e-) = – 2.Δn(Cu2+).
On peut écrire : n(e-).F
= I.
.
La durée Δt de fonctionnement de la
pile :
