Au programme de ce chapitre
- I. La pile Daniell
- II. Usure et calculs
- III. Piles et accumulateurs du quotidien
- Savoir-faire
- Exercices types corrigés
- Teste-toi — vrai ou faux ?
- Pièges fréquents et astuces
- À retenir
La définition à retenir
Définition Une pile convertit de l'énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction rédox spontanée, dont l'oxydation et la réduction se déroulent dans deux compartiments séparés (demi-piles) :
- l'anode est l'électrode où a lieu l'oxydation : c'est le pôle négatif ;
- la cathode est l'électrode où a lieu la réduction : c'est le pôle positif ;
- un pont salin (gel contenant KNO3 ou KCl) relie les deux solutions : ses ions se déplacent pour maintenir la neutralité électrique et fermer le circuit.
Un exemple corrigé
Exemple Pile Daniell : une lame de zinc dans une solution de Zn2+, une lame de cuivre dans une solution de Cu2+.
Anode (−) : Zn → Zn2+ + 2 e−
Cathode (+) : Cu2+ + 2 e− → Cu
Bilan : Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
Les électrons circulent dans le fil du zinc vers le cuivre ; le courant conventionnel va en sens inverse, du + vers le −. Notation : Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu.
Tension standard (force électromotrice) : ΔE° = E°(cathode) − E°(anode) = 0,34 − (−0,76) = 1,10 V.
Anode (−) : Zn → Zn2+ + 2 e−
Cathode (+) : Cu2+ + 2 e− → Cu
Bilan : Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
Les électrons circulent dans le fil du zinc vers le cuivre ; le courant conventionnel va en sens inverse, du + vers le −. Notation : Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu.
Tension standard (force électromotrice) : ΔE° = E°(cathode) − E°(anode) = 0,34 − (−0,76) = 1,10 V.
Lexique
- anode
- électrode où se produit l'oxydation
- cathode
- électrode où se produit la réduction
- pont salin
- jonction ionique qui relie les deux demi-piles et maintient leur neutralité
- force électromotrice
- tension d'une pile en circuit ouvert, ΔE° dans les conditions standards
Les erreurs fréquentes à éviter
Piège — faire passer les électrons par la solution ou le pont salin. Les électrons circulent dans le fil métallique, de l'anode vers la cathode. Dans les solutions et dans le pont salin, ce sont les ions qui se déplacent. Si tu écris des électrons dans le pont salin, ton schéma est faux.
Piège — obtenir une tension négative. Avec ΔE° = E°(anode) − E°(cathode), on trouve une valeur négative. C'est le signe que les rôles sont inversés : l'électrode de plus haut E° est toujours la cathode, et la tension d'une pile est toujours positive.
Attention Dans une pile, l'anode est le pôle négatif : c'est d'elle que partent les électrons. Beaucoup d'élèves associent « anode » et « + » : c'est vrai pour l'électrolyse, pas pour la pile. Retiens plutôt « anode = oxydation » dans tous les cas.
L'astuce du prof
Astuce Pour retenir : Anode et Oxydation commencent par une voyelle, Cathode et Réduction par une consonne. Cela reste vrai pour l'électrolyse (chapitre suivant) : seuls les signes + et − changent.
Exercices corrigés
Cherche d'abord seul, puis ouvre la correction.
Exercice 1 — Une pile fer-cuivre
On associe une lame de fer dans une solution de Fe2+ et une lame de cuivre dans une solution de Cu2+. Quelle électrode est l'anode ? Écris les demi-équations, le bilan, la notation de la pile et la tension standard.
Voir la correction
Le fer a le plus bas E° (−0,44 V contre +0,34 V) : il est l'anode (pôle −). Anode : Fe → Fe2+ + 2 e−. Cathode (pôle +) : Cu2+ + 2 e− → Cu. Bilan : Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu. Notation : Fe | Fe2+ || Cu2+ | Cu. Tension : ΔE° = 0,34 − (−0,44) = 0,78 V.
Exercice 2 — Une pile zinc-argent
On construit une pile avec une lame de zinc dans une solution de Zn2+ et une lame d'argent dans une solution de Ag+. Écris les demi-équations en précisant le pôle de chaque électrode, puis le bilan et la tension standard. Dans quel sens les électrons circulent-ils dans le fil ?
Voir la correction
Comparons les E° : −0,76 V pour le zinc et +0,80 V pour l'argent. Le zinc est l'anode (pôle −) : Zn → Zn2+ + 2 e−. L'argent est la cathode (pôle +) : Ag+ + e− → Ag, à doubler pour égaliser les électrons. Bilan : Zn + 2 Ag+ → Zn2+ + 2 Ag. ΔE° = 0,80 − (−0,76) = 1,56 V. Les électrons vont du zinc vers l'argent dans le fil.