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Terminale S Chimie Partie C Chapitre 8 : Les piles Page 1 sur 3 Nous avons vu au chapitre 7 système chimique peut évoluer spontanément vers un état Est-il possible lors de cette évolution spontanée ?

1. 7UMQVIHUPV VSRQPMQpV GªpOHŃPURQV ¥ Exemple de la pile Daniell

1.1. Transfert entre espèces mélangées

et une lame de cuivre dans une solution de sulfate de cuivre, on constate que la lame de zinc se recouvre progre alors que la plaque de cuivre ne subit aucune modification. En plaçant de la poudre de zinc dans une solution de sulfate de cuivre, on note une rapide

élévation de température

Les couples mis en jeu sont les couple Cu

aq/Cu(s) et Zn aq/Zn(s). spontanée est donc Zn(s) + Cu aq = Zn aq + Cu(s)

1.2. Transfert entre espèces séparées

Il est possible de réaliser le même transfert que précédemment, mais sans mélanger les espèces

chimiques. Pour cela, on sépare les couples oxydant / réducteur

Une solution de sulfate de cuivre est placée

Rem. : un tel édifice est qualifié de pile, en référence empilement séparés par un linge acidifié imaginé par Alessandro VOLTA. absence de jonction entre les deux béchers, on ne mesure aucune tension aux bornes des plaques de cuivre et de zinc. pont électrolytique ou pont salin), la tension mesurée est égale à 1,1 V.

2. Constitution GªXQH SLOH

Une pile est constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin.

Chaque demi- nommé électrode (noté

respectivement M1 et M2) plongeant dans une solution de son oxydant conjugué (respectivement Mn1+ et Mn2+

2.1. IHV S{OHV GªXQH SLOH

Un voltmètre branché aux bornes de la pile indique la tension à ses bornes. La tension mesurée correspond à la force

électromotrice de la pile E car la pile ne débite

grande et ne laisse donc pas passer le courant électrique), Si la valeur mesurée est positive, cela signifie que la borne

V du voltmètre est reliée au pôle positif de la pile et que la borne COM au pôle négatif (inversement si négative).

2.2. Rôle du pont salin

du e, en effet les demi-piles ne sont pas associées. Le pont salin :

permet de fermer le circuit électrique (liaison électrique grâce aux conducteurs ioniques) ;

3. )RQŃPLRQQHPHQP GªXQH SLOH

3.1. Réactions aux électrodes

(interactions électriques). On peut donc : Mn1+ c + n1 e = Mc Cette réaction est une réduction couple. Si les espèces sont séparées, le transfert est alors indirect. espèces sont mélangées, le transfert est alors direct.

Chapitre 8 : Les piles

John Frederic DANIELL

Chimiste anglais

1790 1845

Cu Zn

Pont salin

V V COM

Zn2+ Cu2+

Terminale S Chimie Partie C Chapitre 8 : Les piles Page 2 sur 3 duCtion est appelée Cathode pour une pile.

Au contraire, le pôle négatif de la pile repousse les électrons : il produit des électrons :

MT = Mn2+

T + n2 e Cette réaction est une oxydation

Ation est appelée Anode le pôle négatif pour une pile.

Exemple : pile Daniell :

A la Cathode (+) : Cu

aq + 2e = Cu(s) : réduCtion

Anode () : Zn(s) = Zn

aq + 2 e : oxydAtion

3.2. Écriture conventionnelle GªXQH SLOH

On symbolise une pile par la notation suivante :

() M2 / Mn2+ // Mn1+ / M1 (+) Exemple : on schématise conventionnellement la pile Daniell par la notation : Zn / Zn aq // Cu aq / Cu.

3.3. Sens de circulation du courant électrique

Le courant électrique circule conventionnellement du pôle positif, vers le pôle négatif de la pile.

3.4. Mouvement des porteurs de charges

ainsi que dans les les porteurs de charge sont des électrons, ils se déplacent dans le sens contraire du sens conventionnel du courant électrique : du pôle négatif vers le pôle positif de la pile. Dans les électrolytes, les porteurs de charge sont les ions. À la cathode, il y a consommation de cations : des cations migrent, par le pont salin, vers cette électrode et assure

À : des anions migrent, par le pont

Les cations se déplacent dans le sens du courant électrique. Les anions se déplacent en sens contraire du courant (même sens que les électrons !)

4. La pile, système hors équilibre au cours de son fonctionnement

4.1. Application du critère GªpYROXPLRQ

: Zn(s) + Cu aq = Zn aq + Cu(s) : K = 2,8.1036. : Qr,i = [Zn aq]i [Cu aq]i. 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 [Zn

aq] augmente et [Cu aq] diminue : Qr augmente ! La pile est donc un système chimique hors équilibre.

4.2. Évolution et bilan de matière

= I.t, si

Cette charge correspond à un déplacement de N électrons dans le circuit : Q = N.e (e charge élémentaire).

électrons est exprimée en mol pour plus de commodité : N = n(e).NA où NA représente le nombr = n(e).NA.e La grandeur NA×s et est appelée constante de faraday et notée F = NA.e = 6,022.1023×1,602.1019 = 9,65.104 C.mol1.

Ainsi Q = n(e).F = I.t.

Le pont salin permet de compenser les charges électriques - produit des cations (anode) et apport de cations vers la demi-

Autres moyens mnémotechniques :

Cathode Réduction commence par une consonne

Anode Oxydation : commence par une voyelle

Pour une pile : Ca+hode, pôle +

Pour une pile: Anode, pôle négatif

Cu2+ Cu Zn2+ Zn

Pont salin

A mA COM R

+ I I I I I e Zn2+ e Cu2+ SO NH NO I I Terminale S Chimie Partie C Chapitre 8 : Les piles Page 3 sur 3 équation de la réaction Cu2+ + 2 e = Cu électrons échangés état du système avancement n(Cu2+) n(Cu) n(e)

état initial 0 niCu2+ niCu 0

état final xf niCu2+ xf niCu xf .xf

2+ est : n(Cu2+) = nf(Cu2+) ni(Cu2+) = niCu2+ xf ni(Cu2+) = xf

La variation de la quantité de matière de cuivre métal est : n(Cu) = nf(Cu) ni(Cu) = xf L : n(e) = 2.xf. Ainsi n(e) = 2.n(Cu) ou encore n(e) = 2.n(Cu2+). g. La pile Daniell a

débité une intensité constante égale à 100 mA. Quelle a été la durée de fonctionnement de la pile ?

Nous cherchons la durée t de fonctionnement de la pile : t = ne.F

I = .nCu.F

I = .mCu.F

MCu.I t = ×,×,. ,×. = 3,6.103 s soit heure !

4.3. IM SLOH j OªpTXLOLNUH : " pile usée »

Lorsque la pile est usée, le quotient de réaction est égal équilibre. L et la fectuer

réactifs a été entièrement consommé. La connaissance du réactif limitant permet de déterminer la demi-équation à utiliser

pour max que peut fournir une pile est parfois appelée " capacité » de la pile (N.B. : cela (ou fréquemment en

A.s ou A.h) : Qmax = I.tmax et Qmax = nmax(e).F

5. Exemples de piles usuelles

5.1. La pile saline type Leclanché

Les deux couples oxydant / réducteur de cette pile sont :

MnO2 / MnO2H et Zn2+ / Zn

A la cathode : :

MnO2 + H+ + e = MnO2H

: oxydation du zinc : Zn = Zn2+ + 2e acide de chlorure

2 MnO2 + 2 H+

(aq) + Zn = 2 MnO2H + Zn2+

5.2. La pile alcaline

associé à un élément alcalin, a donné le terme de pile " alcaline » ! a réaction chimique :

MnO2 + H+ + e = MnO2H (2)

Zn = Zn2+ + 2 e (1)

2 MnO2 + 2 H+

(aq) + Zn = 2 MnO2H + Zn2+

Cette réaction ayant lieu en milieu très basique, il convient de tenir compte de la réaction entre les ions hydrogène et les

ions hydroxydes : H+ (aq) + HO (aq) = H2O(l) :

2 MnO2 + 2 H+

(aq) + 2 HO (aq) + Zn = 2 MnO2H + Zn2+ + 2 HO (aq) Donc 2 MnO2 + 2 H2O(l) + Zn = 2 MnO2H + Zn2+ + 2 HO (aq) http://fr.video.yahoo.com/video/play?vid=637740 : vidéo sur la pile Daniell

Application

N.B. : la variation de quantité de matière en ions cuivre n(Cu2+) < 0 correspond à la quantité de matière consommée en ions Cu2+ : ncons(Cu2+) = n(Cu2+) > 0quotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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