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PROF: Mr BECHA Adel ( prof principal)

4 eme Sciences exp , maths et technique Matire : Sciences physiques www.physique.ht.cx

Les piles lectrochimiques

I/Prsentation de la pile Daniell

La pile Daniell est constitue de deux compartiments appels demi-piles.

Chaque demi pile renferme un couple rdox :

*Une demi pile comprend une lame de cuivre plongeant dans une solution de sulfate de cuivre

II

*L'autre demi pile comprend une lame de zinc plongeant dans une solution de sulfate de zinc

les deux demi piles sont relies par un un pont de jonction dit pont lectrolytique ou pont

salin.

Schma et symbole de la pile

A une pile,on peut associer deux schmas et deux symboles selon qu'on met gauche le

couple

Cu2+

/Cu ou Zn2+

/Zn.

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Schma

Symbole Cu /Cu 2+ (1molL-1) // Zn2+(1molL-1)/Zn Zn / Zn2+(1molL-1) // Cu 2+ (1molL-1)/ Cu

Equation chimique associe la reprsentation de la pile

CONVENTION: L'quation chimique est crite de sorte que chaque

rducteur doit tre du mme cot(droite ou gauche)dans l'quation

chimique et dans la reprsentation de la pile .

Schma

Equation chimique associe Cu + Zn

2+Cu

2+ + Zn Zn+Cu

2+Zn

2++ Cu

Symbole Cu /Cu 2+

(1molL-1

) // Zn2+

(1molL-1

)/Zn Zn / Zn2+(1molL-1) // Cu 2+ (1molL-1)/ Cu

Principe de fonctionnement de la pile Daniell:

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Expriences:

On relie la borne (+) du milliampremtre la lame de

cuivre

On constate que l'aiguille du milliampremtre dvie.

Le passage du courant lectrique , l'extrieur de la pile ,

s'effectue de la lame de cuivre vers la lame de zinc.

la lame de cuivre est le pole (+) de la pile

la lame de zinc est le pole (-) de la pile

Le dplacement des lectrons est dans le sens inverse de

celui du courant.

Le voltmtre mesure la diffrence de potentiel entre

les bornes de la pile.(Vbdroite-Vbgauche)

La diffrence de potentiel est positive : la lame de cuivre

est le pole (+) de la pile

VbD - VbG >0

VbD > VbG

Le voltmtre mesure la f..m E de la pile.

Ractions aux lectrodes

Transformation llectrode de zinc(pole ngatif)

Les lectrons quittent llectrode de zinc pour cheminer dans les conducteurs mtalliques.

le zinc libre des ions zinc dans la solution de sulfate de zinc. Le zinc est donc attaqu .

Le zinc est oxyd : Zn Zn2+

+ 2e-

Le zinc est le sige d'une oxydation.

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La solution s'enrichit en ions Zn2+

et la masse de la lame de zinc diminue.

Transformation llectrode de cuivre(pole positif)

Au niveau de llectrode de cuivre arrivent la fois des ions cuivre (II) de la solution aqueuse

de sulfate de cuivre (II), et des lectrons du circuit extrieur .

Les ions cuivre (II) sont rduits : Cu 2+

+ 2e- Cu

La solution s'appauvrit en ions Cu2+

et la masse de la lame de cuivre augmente.

Bilan des transformations dans la pile

Les ions cuivre (II) ont capt des lectrons au zinc par lintermdiaire du circuit lectrique.

Il y a autant dions zinc forms que dions cuivre (II) consomms.

Bilan des transformations chimiques

A llectrode de zinc : Zn 2e- + Zn 2+ (oxydation)

A llectrode de cuivre : Cu 2+ + 2e- Cu (rduction)

Dans la pile : Zn + Cu 2+

Zn2+

+ Cu

Rle du pont salin

Dans les deux compartiments de la pile, les solutions sont mises en contact (relies) par

un pont lectrolytique constitu d'un tube en U rempli d'une solution glifie d'agar-agar

concentre en chlorure de potassium ou nitrate de potassium

Or le passage du courant lectrique est assur par le dplacement des lectrons dans le

circuit mtallique (circuit extrieur) et des ions dans les deux demi-piles(les ions K+ et Cl-

du pont salin peuvent migrer vers un compartiment ou vers un autre de la pile afin d'assurer

la neutralit lectrique dans les deux compartiments de la pile.)

Le pont salin permet de :

-fermer le circuit lectrique tout en vitant le mlange des deux solutions

-assurer la neutralit lectrique dans les deux compartiments de la pile.

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Force lectromotrice de la pile

La f..m de la pile est : E = VbD -VbG

VbD:le potentiel lectrique de la borne de droite

VbG:le potentiel lectrique de la borne de gauche

L'utilisation d'un voltmtre numrique permet de dterminer la f..m de la pile ainsi que sa

polarit.

Il y a deux possibilits

Cu /Cu2+(1 mol L-1) || Zn2+(1 mol L-1)/

Zn Zn /Zn2+(1 mol L-1)|| Cu2+(1 mol L-1)/Cu

E = VbZn -VbCu = - 1,1V < 0 E = VbCu -VbZn = + 1,1V > 0

E 0E VbCu > VbZn

llectrode de cuivre(borne positive)

llectrode de zinc(borne ngative)

La f..m E de la pile est une grandeur algbrique dont le signe est li la reprsentation de la

pile

En changeant le schma de la pile:

* l'quation associe change.

*le symbole change .

*les polarits des bornes ne changent pas.

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*la raction qui se produit dans la pile ne change pas. Zn + Cu 2+

Zn2+

+ Cu

Le sens de circulation des lectrons (dans le circuit extrieur) indique le sens de la raction

qui se

produit spontanment dans la pile.

Lorsque la pile dbite: /E/ diminue ; [Zn2+

] augmente et [Cu2+

] diminue .

La fonction des concentrations , relative l'quation Zn+Cu2+

Zn2+

+ Cu ,

=[Zn2+ ] / [Cu2+ ] augmente .

II/variation de la f..m. avec le logarithme de la fonction des concentrations .

n ralise les piles Zn / Zn2+(X molL-1 ) //Cu 2+ (Y molL-1 /)Cu avec diffrentes concentrations des deux solutions en cations mtalliques Zn2+ et Cu 2+

l'quation associe est Zn+Cu2+

Zn2+

+ Cu

Soit =[Zn2+ ] / [Cu2+ ] la fonction des concentrations ,

On mesure exprimentalement les f..m E de ces piles en branchant un millivoltmtre aux bornes

de chaque pile ainsi ralise .

pile

n

[Zn2+

]

(mol.L-

1)

[Cu2+

]

(mol.L-

1)

=[Zn2+ ] / [Cu2+ ] log E

(en V)

1 1 1 1 0 1,10

2 1 10-1

10 1 1,07

2 1 10-2

102 2 1,04

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4 10-1

1 10-1

-1 1,13

5 10-2

1 10-2

-2 1,16

Le tableau permet de tracer la courbe donnant la variation de la f..m. avec le logarithme

de la fonction des concentrations .

E=f(log) est une fonction affine de la forme E = a log + b reprsente par une droite de pente

(- 0.03 ) et d'ordonne l'origine ( 1,1)

Reprsentons par E lordonne lorigine, on a donc la relation suivante :

E= E- 0,03 log (valable 25 C)

O E est la valeur de E lorsque = 1.

E est nomme "f..m. normale" de la pile ; sa valeur est gale celle de la f..m. de la pile

quand =1.

exemple si les molarits de Zn2+

et de Cu2+

sont gales 1 mol.L-1

E=E=+1,1volt.

Quand la pile dbite du courant il se produit spontanment la raction directe .

A mesure quelle volue la molarit de Zn2+augmente et celle de Cu2+diminue :

la f..m. de la pile doit donc diminuer.

La raction spontane se poursuit tant que la d.d.p entre les deux lectrodes nest pas nulle .

Quand la f..m. sannule, le courant lectrique sannule galement et les lectrons ne circulent

plus dans le circuit extrieur . La raction sarrte.

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Les concentrations des divers constituants figurant dans lquation chimique demeurent constante :

le systme a atteint alors lquilibre dynamique et la pile est use.

Pour une pile forme par les couples rdox M1n+

/M1 et M2n+

/ M2 ;

M2 (sd) + M1n+

M2 n+

+ M1 (sd)

la fonction des concentrations

la f..m. est une fonction affine du logarithme de la fonction des concentrations .

E=E - 0,06 / n log 25C

( Relation de Nernst)

n est le nombre dlectrons mis en jeu dans lquation chimique :

La valeur de la f..m. normale E dpend de la nature des couples rdox utiliss.

La fm E de la pile dpend de la nature des couples mis en prsence et de la concentration

des cations mtalliques en solutions .

Quand la pile dbite, La raction spontane volue vers un tat d'quilibre. La f..m E

sannule

=K (K tant la constante d'quilibre relative l'quation associe de la pile)

E=E - 0,06/n log K =0

K =10 nE/0.06

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III/Potentiel normal d'un couple rdox La demi- pile de rference

E = ECu2+/Cu - EH+/ H2 = +0,34 V>0 E = EZn2+/Zn - EH+/ H2 = - 0,76V

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Si Eox / rd >0

Ox est plus oxydant queH+

Red est plus rducteur queH2

Si Eox / rd

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Pile alcaline

La pile est un dispositif principalement compos extrieurement de 2 lectrodes (ple positif

et ple ngatif) dont le fonctionnement interne est li des ractions chimiques.

Pile alcaline

Schma

Anode Rducteur

Poudre de zinc

Collecteur Tige mtallique

Cathode Oxydant Dioxyde de manganse MnO2 + poudre de carbone

Collecteur Rcipient en acier

Electrolyte Solution aqueuse d'hydroxyde de potassium (Potasse)

(le potassium tant un Mtal Alcalin d'o le nom d'Alcaline)

Milieu Basique

Espces chimiques

prsentes

Rducteurs

Oxydants

Fe, Zn, H2O, K+, OH

-, MnO2

OH-, Fe, Zn

K+, H2O, MnO2

Evolution

Oxydation du zinc l'anode

Zn + 4OH- Zn(OH)4

2- + 2e

-

Rduction du MnO2 la cathode

MnO2 + H2O + e- MnO(OH) + OH-

Remarques

Plus tanche que la saline car le zinc ne constitue plus le

botier.

Elle a une dure de vie suprieure car sa quantit d'oxydant

(MnO2) est plus importante.

Le zinc est meilleur rducteur en poudre qu'en plaque

Fem 1,5 V

Botier en acier

MnO2

+

carbone graphite

Electrolyte

Sparateur inhib de (K+,OH-)

Poudre de zinc

Conducteur mtallique

Joint sparateur

Fond en acier

+

_

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Temps de

dcharge

50 60 heures.

Se dcharge de 1,5 V et 1,2 V au bout d'une dizaine

d'heures, puis sa tension reste constante 1,2 V une

quarantaine d'heures, avant de dcrotre rgulirement

entre 1,2 V et 0 V