Fonctionnement d'une pile - Maxicours

Fonctionnement d'une pile

Objectif(s)
Voir comment réaliser une pile Daniell en Travaux Pratiques. Etudier le fonctionnement théorique d’une pile électrochimique, en faisant appel à des notions d’oxydoréduction. Indiquer ensuite les propriétés d’une pile.
1. Approche expérimentale : la pile Daniell
Dans un premier récipient, on verse une solution de sulfate de zinc et on y plonge une lame de zinc décapée. Dans un second récipient, on procède de la même manière avec du sulfate de cuivre et une lame de cuivre. Chaque récipient et son contenu est désigné sous le terme de demi-pile. Chaque lame métallique constitue une électrode.

On remplit un tube en U avec une solution de nitrate d’ammonium , gélifiée par de l’agar-agar (substance gélifiante issue d’algues). Cela forme un pont électrolytique ou pont salin. On plonge une extrémité du U dans le premier récipient, et l’autre dans le second.

On relie électriquement les électrodes à une petite lampe électrique. La lampe s’allume : on vient de fabriquer une pile électrique, la pile Daniell.


Pour trouver expérimentalement les polarités de la pile, on branche un voltmètre à ses bornes. Si celui-ci indique une valeur négative, alors on l’a branché à l’envers. Avec un branchement correct, la borne « com » (négative) du voltmètre est reliée à l’électrode de zinc. La borne positive est l’électrode de cuivre.

2. Interprétation théorique
a. Oxydants, réducteurs (rappels)
Un oxydant est une espèce chimique susceptible de capter un ou plusieurs électron(s), lors d’une réaction qui est une réduction :

Dans un montage électrochimique, l’électrode où se produit une réduction est la cathode.

Un réducteur est une espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs électron(s) lors d’une oxydation :

Une électrode où se produit une oxydation est une anode.

Dans les deux demi-équations électroniques, l’oxydant et le réducteur forment un couple, qui se note (couple « rédox »).
b. Fonctionnement de la pile Daniell
• Dans le circuit électrique, il y a circulation d’électrons. Ils constituent le courant continu généré par la pile. Mais, comme d’habitude en électricité, les électrons vont du – vers le +, alors que le courant I va du + vers le –.

• 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.

La réaction capte des électrons. L’électrode de cuivre attire les électrons, qui ne peuvent venir que du circuit électrique. L’électrode de cuivre est la borne positive de la pile.

• Au niveau de l’électrode de zinc, il y a oxydation de celui-ci, selon la demi-équation électronique :

L’électrode de zinc est progressivement consommée. Comme il s’agit d’une réaction d’oxydation, l’électrode de zinc est l’anode.

La demi-équation électronique libère des électrons dans le circuit électrique. L’électrode de zinc est la borne négative.

Remarque : associer les termes anode/cathode aux polarités est une mauvaise idée, car dans le cadre d’une électrolyse, les relations anode/cathode et polarités sont inversées !

• Globalement, l’équation d’oxydoréduction qui lieu au sein de la pile est trouvée en « sommant » les deux demi-équations électroniques :

Cette réaction est la réaction spontanée qui a lieu entre les ions cuivre et le zinc. Elle libère de l’énergie. C’est l’énergie chimique liée à cette réaction qui est exploitée par la pile et récupérée en partie sous la forme d’énergie électrique.

La réaction inverse (cuivre réagissant avec les ions zinc) est possible, mais est elle est consommatrice d’énergie. Elle n’a pas donc lieu dans la pile.

Sans le pont salin, la pile ne fonctionnerait pas, car il assure l’électroneutralité de chaque demi-pile, via la migration de ses ions. Durant le fonctionnement de la pile, la solution de sulfate de zinc s’enrichit en ions zinc ; les ions nitrate vont donc migrer vers cette solution. En parallèle, les ions ammonium vont dans le bac de sulfate de cuivre, afin de compenser le déficit en ions +, du fait de la consommation des ions cuivre.

3. Description générale d'une pile
a. Notation d'une pile
Une pile se note de la manière suivante, par exemple pour la pile Daniell :

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.
b. Caractéristique électrique
Comme vu dans la fiche « conversion d'énergie et rendement », la tension U (en Volt) aux bornes d’une pile est fonction de l’intensité I (en Ampère) du courant qu’elle débite :


E
est la force électromotrice. Cette tension est liée aux couples rédox employés dans la pile. Elle dépend aussi des concentrations des ions et de la température. Pour une pile Daniell avec , et à 25 °C, E est en théorie proche de 1,1 V.

r est la résistance interne de la pile (en Ohm). Elle est liée à la mobilité des ions, notamment au niveau du pont salin. En travaux pratiques, les valeurs sont de l’ordre de centaines d’Ohms, ou même de .

En traçant l’évolution de la tension U fonction de l’intensité I, on voit que la tension décroît jusqu’à s’annuler lorsque l’intensité vaut une valeur dite d’intensité de court-circuit .

c. Capacité d'une pile
La charge électrique Q (en Coulomb) qui a transité dans le circuit électrique pendant une durée   (en seconde) est donnée par :

I (en Ampère) est l’intensité, supposée constante, du courant électrique. Q est reliée à la quantité d’électrons (en moles) qui a transité dans le circuit, par la formule :

(le Faraday) est la charge électrique d’une mole d’électrons.

La capacité d’une pile est la charge électrique totale qu’elle est capable de délivrer au cours de sa vie, de durée de fonctionnement .

s’exprime en Coulomb, ou en Ampèreheure (Ah). Par définition, un ampèreheure est la charge électrique qui a transité dans un circuit alimenté pendant 1 heure avec un courant de 1 Ampère. En conséquence, .
L'essentiel
Une pile Daniell est un exemple simple de pile électrochimique qui peut être fabriquée en travaux pratiques. Elle est constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin. Par le biais d’une réaction d’oxydoréductions, elle utilise de l’énergie chimique afin de produire une énergie électrique, qui se manifeste par un courant continu.

A l’anode, il se produit une oxydation. A la cathode, une réduction. La réaction d’oxydation libère des électrons dans le circuit électrique au niveau de la borne –, la réaction de réduction capte des électrons à la borne +.

La charge électrique Q qui a transité dans un circuit électrique pendant une durée est . On a aussi est le nombre d’électrons qui a transité, et la charge électrique d’une mole d’électrons.

La capacité d’une pile est la charge électrique totale qu’elle peut faire circuler dans le circuit électrique. On peut l’exprimer en Ampèreheure, noté Ah, où .

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