Les piles
A.- Transferts d’électrons
1)
Transferts spontanés directs
Réducteur et oxydant en solution :
possibilité de transfert spontané d’électrons du réducteur vers l’oxydant
(l’énergie perdue par le système chauffe le mélange)
2)
Transferts spontanés indirects
Réducteur et oxydant en solution séparés :
possibilité de transfert spontané indirect (l’énergie perdue fournit du travail
électrique)
3) Constitution d’une
pile
Deux demi piles :
Et une jonction entre les demi piles
(paroi poreuse ou pont
salin)
B.- Processus en jeu dans une pile
La pile peut débiter du
courant :
Les électrons vont du zinc vers le cuivre.
La
plaque de zinc fournit des électrons :
Zn(s)
® 2e- + Zn2+(aq) (Oxydation à l’anode)
La plaque de cuivre transmet ces électrons :
Cu2+(aq)
+ 2e- ® Cu(s) (Réduction à la cathode)
Bilan :
Zn(s)
+ Cu2+(aq) = Zn2+(aq) + Cu(s)
Mouvement des porteurs de charge :
Hors de la solution : électrons
Dans la solution : ions (cations positifs et
anions négatifs)
ð
continuité du circuit électrique
ð
conservation de l’électro-neutralité des
solutions
C.- Caractéristiques électriques d’une pile
Une pile a une borne
positive (cathode) et une borne négative (anode)
On peut la représenter par une chaîne du genre :
(-) Zn(s) /Zn2+(aq)
// Cu2+(aq) / Cu(s) (+)
Entre autres grandeurs caractéristiques : -
sa f.é.m (E, en V)
-
sa résistance (r)
D.- Évolution du système chimique
Tant que la pile débite :
les électrons sont transférés de Zn
vers Cu
la réaction a lieu : Zn(s)
+ Cu2+(aq) = Zn2+(aq) + Cu(s)
Qr < K, le système est
hors équilibre
Lorsque Qr = K, le système
est à l’équilibre
la pile ne
peut plus débiter
sa f.é.m est
nulle
Sur le plan de
l’énergie :
Une pile neuve possède de l’énergie chimique
Lorsqu’elle débite, elle transforme :
énergie chimique - énergie mécanique (moteurs)
-
énergie lumineuse
-
énergie thermique
Quand elle est usée, on ne peut pas lui redonner de l’énergie chimique (≠
accumulateurs)
E.- Quantité d’électricité débitée
1) Quantité
débitée à un instant t
Si I
= cste : Q = I.t I en A, t en s, Q en
coulomb (C)
Le nombre de moles d’électrons transférés est :
ne = Q / Ne = I.t / Ne avec
: e = 1,6.10-19 C
N = 6,02.1023
Ne = 96500 C = 1 faraday (F)
Le nombre de moles de zinc consommé peut être calculé :
|
A l’anode |
Zn(s) = 2e- + Zn2+(aq) |
||
|
Initial |
nZn |
0 |
0 |
|
A l’instant t |
nZn -x |
2x |
x |
=>
x = I.t / 2Ne
2)
Quantité maximale débitée par la pile
Qmax sera atteint quant le réactif limitant est consommé.
Si le zinc est le réactif limitant : xmax = nZn
ð
nombre maximal de moles d’électrons à
passer :
nmax = 2nZn
o
Qmax = nmax N.e