Chimie · 4ème MathThème 4 : Piles électrochimiques · Chapitre 1

Étude de la pile Daniell

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• distinguer un transfert direct et un transfert indirect d'électrons ;
• expliquer le fonctionnement de la pile Daniell : électrodes, pont salin, sens du courant ;
• représenter une pile par son symbole et lui associer une équation chimique ;
• prévoir le sens d'évolution spontanée d'une réaction redox à partir du signe de la f.é.m. de la pile associée.
Prérequis : oxydant, réducteur, couple redox, équation d'une réaction d'oxydoréduction.

Situation de départ

Téléphones, montres, télécommandes : de nombreux appareils fonctionnent grâce à des piles. Une pile ne contient ni moteur ni aimant, seulement des espèces chimiques.
Comment une réaction chimique peut-elle produire un courant électrique ?

I. Transfert direct d'électrons

Animation

Une lame de zinc plongée dans une solution de sulfate de cuivre (II) se recouvre de cuivre et la solution bleue se décolore :

Zn + Cu²⁺ Zn²⁺ + Cu

Chaque atome de zinc cède directement, au contact, deux électrons à un ion Cu²⁺. L'énergie libérée est dissipée sous forme de chaleur : aucun courant n'est récupérable.

II. La pile Daniell : transfert indirect

1. Constitution et fonctionnement

Animation

La pile Daniell comporte deux demi-piles : une lame de zinc dans une solution de sulfate de zinc, et une lame de cuivre dans une solution de sulfate de cuivre (II), reliées par un pont salin (gel de KCl dans un tube en U) ou séparées par une paroi poreuse. Une demi-pile est formée d'un conducteur électronique (métal) au contact d'un conducteur ionique (solution) ; elle correspond à un couple redox. Reliée à un résistor, la pile débite un courant qui va, à l'extérieur, de la borne cuivre vers la borne zinc : les électrons passent par le circuit extérieur.

Fonctionnement

à l'anode (lame de zinc, borne négative) se produit l'oxydation : Zn Zn²⁺ + 2 e^- ; la lame de zinc s'use ;
à la cathode (lame de cuivre, borne positive) se produit la réduction : Cu²⁺ + 2 e^- Cu ; du cuivre se dépose ;
réaction spontanée quand la pile débite : Zn + Cu²⁺ Zn²⁺ + Cu ;
le pont salin ferme le circuit et assure la neutralité électrique des solutions (les ions K⁺ migrent vers la cathode, les ions Cl^- vers l'anode), sans mélanger les solutions ni introduire d'autre couple redox ;
à l'intérieur de la pile, le courant est dû au déplacement des ions et va du zinc vers le cuivre : aucun électron ne traverse les solutions ni le pont salin.

Fig. 1 — Pile Daniell qui débite : à l'extérieur, le courant I va du cuivre (+) au zinc (-) et les électrons en sens inverse ; dans le pont salin, les ions K⁺ vont vers la cathode et les ions Cl^- vers l'anode.

À retenir

Une pile électrochimique fournit un courant grâce à une réaction d'oxydoréduction spontanée, dans laquelle les électrons sont transférés indirectement, par le circuit extérieur. Si on ouvre le circuit, la réaction s'arrête.

III. Représentation et force électromotrice

1. Symbole et équation associée

La pile Daniell est symbolisée par :

Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu

Le trait vertical sépare deux phases, le double trait représente le pont salin. À ce symbole on associe l'équation, écrite avec chaque réducteur du même côté que dans le symbole :

Zn + Cu²⁺ Zn²⁺ + Cu

De façon générale, à la pile M₁ | M₁ⁿ⁺ || M₂ⁿ⁺ | M₂ on associe M₁ + M₂ⁿ⁺ M₁ⁿ⁺ + M₂.

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