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Réaliser une pile

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Objectif

Modéliser et schématiser, à partir de résultats expérimentaux, le fonctionnement d’une pile.
Réaliser une pile, déterminer sa tension à vide et la polarité des électrodes, identifier la transformation mise en jeu, illustrer le rôle du pont salin.

Points clés

Une réaction d’oxydoréduction correspond à un transfert d’électrons entre deux réactifs (un oxydant et un réducteur).
Ce transfert est direct si l’oxydant et le réducteur sont en contact, ou alors il peut s’effectuer par un circuit extérieur si les réactifs ne sont pas en contact : on a alors une pile.
La mesure de la tension aux bornes de la pile permet de trouver sa polarité. Lorsque la pile ne fournit pas de courant, cette tension est appelée tension à vide.
Le pont salin (composé d’une solution aqueuse ionique gélifiée) relie les deux demi-piles et permet d’assurer la circulation du courant dans la pile.

Pour bien comprendre

La mesure d’une tension électrique
La réaction d’oxydoréduction
Étudier le fonctionnement d’une pile

1. Le transfert spontané d'électrons

Une réaction d’oxydoréduction correspond à un transfert d’électrons entre deux entités chimiques. L’oxydant capte un ou plusieurs électrons qui sont cédés par le réducteur. Cette réaction est à l’origine de la production d’énergie dans une pile lorsque les électrons sont récupérés et circulent dans un circuit extérieur à la pile.

a. Le transfert direct – Expérience

Manipulation

On place une plaque métallique M₂ dans un bécher qui contient une solution aqueuse avec un ion métallique M₁.

Étude de la réaction entre un métal
et un cation métallique

Observations

On observe l’état du système au bout de quelques heures et on identifie si une réaction a eu lieu ou pas.

Métal	Cation	Observations	Équation de réaction
Zinc Zn	Cu²⁺	Réaction	Cu²⁺ (aq) + Zn (s) → Cu (s) + Zn²⁺ (aq)
Cuivre Cu	Zn²⁺	Pas de réaction
Argent Ag	Cu²⁺	Pas de réaction
Cuivre Cu	Ag⁺	Réaction	2 Ag⁺ (aq) + Cu (s) → 2 Ag (s) + Cu²⁺ (aq)

Interprétation

Les expériences où une réaction a eu lieu correspondent à un transfert direct d’électrons entre le métal réducteur et le cation métallique oxydant : en se transformant en cation métallique, le métal cède des électrons au cation métallique déjà présent qui se transforme en métal.

Illustration du transfert direct d’électrons

Lors d’un transfert direct d’électrons, ceux-ci ne sont pas récupérés pour être utilisés dans un circuit électrique. Cela ne constitue pas une pile.

En revanche, le métal M₂ va être oxydé par les ions M₁. Il y a donc un phénomène de corrosion.

Explication
Les ions M₁

captent des électrons et forment ainsi une couche de métal M₁ à la surface de l’anode de métal M₂.

b. Le transfert indirect

Expérience sans pont salin

Manipulation

On prépare deux béchers qui contiennent chacun une plaque métallique (M₁ ou M₂), appelée aussi électrode, qui plonge dans une solution aqueuse contenant l’ion métallique associé (M₁ ou M₂).

Dispositif expérimental d'étude

On relie les deux plaques par un circuit métallique conducteur.

Connexion entre les deux plaques

Observation

L’ampèremètre branché dans le circuit mesure une intensité nulle : aucun courant ne circule car le circuit est ouvert (pas de connexion entre les deux béchers).

Expérience avec pont salin

Manipulation

On relie maintenant les deux solutions contenues dans les béchers par un pont salin (tube en forme de U contenant une solution aqueuse gélifiée ionique).

Connexion avec le pont salin

Observation

L’ampèremètre branché dans le circuit mesure une intensité non nulle : un courant électrique circule.

Interprétation

Des électrons sont transférés de la plaque où le métal réagit en s’oxydant, vers la plaque ou le cation métallique réagit en se réduisant.

L’équation chimique de la réaction observée à chaque électrode est la suivante.

Électrode M₁ : M₁ (aq) + n₁e^– → M₁ (s)
Électrode M₂ : M₂ (s) → M₂ (aq) + n₂e^–

L’équation associée au fonctionnement du système élaboré est la suivante.

n₂ × M₁ (aq) + n₁ × M₂ (s) → n₂ × M₁ (s) + n₁ × M₂ (aq)

Il s’agit de la même équation que celle que l’on obtiendrait si le métal M₂ et le cation métallique M₁ avait été en contact.

Conclusion

Le système élaboré permet de faire passer un courant électrique qui assure le transfert indirect des électrons entre les réactifs qui ne sont pas en contact. Il transforme une énergie chimique en une énergie électrique : c’est le principe de la pile électrochimique.

2. La réalisation d'une pile

Réaliser une pile

On réalise une pile argent-zinc en réunissant :

une demi-pile composée d’une plaque de zinc Zn (appelée électrode) qui plonge dans une solution contenant l’ion zinc (II) Zn²⁺ ;
une demi-pile composée d’une plaque d’argent Ag (appelée électrode) qui plonge dans une solution contenant l’ion argent Ag⁺.

La masse de chacune des deux plaques est égale à 50 g et les concentrations en quantité de matière en ion zinc (II) et en ion argent sont égales à 0,10 mol·L^–¹.

On relie les deux demi-piles avec un pont salin qui contient une solution aqueuse gélifiée de nitrate d’ammonium, contenant les ions nitrate NO et les ions ammonium NH.

On relie les deux demi-piles avec un pont salin.

Pile zinc-argent

Déterminer la polarité des électrodes

On branche aux bornes de cet ensemble un voltmètre qui permet de mesurer la tension à vide de la pile et ainsi de déterminer la polarité de celle-ci.

Mesure de la tension à vide

Le signe de la tension mesurée permet d’identifier le signe des électrodes branchées aux bornes du voltmètre.

Signe de la tension mesurée	Signe de l’électrode reliée à V	Signe de l’électrode reliée à COM
Positif	Positif	Négatif
Négatif	Négatif	Positif

La tension mesurée est ici négative, on en déduit que la plaque branchée sur la borne V est négative et que la plaque branchée sur la borne COM est positive.

L’électrode de zinc constitue le pôle négatif de la pile (anode) et l’électrode d’argent constitue le pôle positif (cathode).

Identifier la transformation mise en jeu

On branche désormais un circuit aux bornes de la pile, et on mesure l’intensité du courant.

Fonctionnement de la pile zinc-argent

L’intensité mesurée est différente de zéro ampère, ce qui signifie qu’un courant électrique circule entre les deux bornes de la pile.

Le sens de circulation des électrons à l’extérieur de la pile, de l’électrode négative vers l’électrode positive, nous permet de trouver les équations électrochimiques qui ont lieu à chacune des électrodes.

Électrode	Mouvement des électrons	Équation électrochimique
Argent (+)	Les électrons arrivent du circuit sur l’électrode.	Ag⁺ (aq) + e^– → Ag (s)
Zinc (–)	Les électrons partent dans le circuit depuis l’électrode.	Zn (s) → Zn²⁺ (aq) + 2 e^–