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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
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