Chimie · 4ème MathThème 4 : Piles électrochimiques · Chapitre 3

Les piles alcalines

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• décrire une pile alcaline : électrodes, électrolyte, couples redox ;
• écrire les réactions aux électrodes et la réaction de fonctionnement ;
• comparer les piles alcalines aux piles salines.
Prérequis : pile Daniell, nombre d'oxydation, précipitation des ions métalliques par les ions hydroxyde.

Situation de départ

Une pile Daniell, avec ses solutions et son pont salin, ne peut pas alimenter une montre ou une télécommande : elle fuirait, et sa capacité est faible. Les piles du commerce sont « sèches ».
Comment sont-elles construites, et comment fonctionnent-elles ?

I. Des piles « sèches »

Animation

Dans les piles du commerce, l'électrolyte est gélifié : la pile peut fonctionner dans n'importe quelle position, on dit qu'elle est sèche. La pile saline (Leclanché) utilise un électrolyte au chlorure d'ammonium ; la pile alcaline utilise de l'hydroxyde de potassium KOH (le potassium est un métal alcalin, d'où le nom). Les piles alcalines ont une résistance interne plus faible et fournissent plus d'énergie.

II. Pile alcaline au dioxyde de manganèse

Animation

Description

f.é.m. nominale : 1,5 V ; couples : Zn(OH)₄^2-/Zn et MnO₂/MnOOH ;
anode (borne -) : poudre de zinc dans la potasse gélifiée, autour d'un clou en acier collecteur ;
cathode (borne +) : dioxyde de manganèse et graphite en poudre, contre le boîtier en acier ;
un séparateur imbibé de potasse assure la jonction entre les deux compartiments.

En milieu basique, les ions Zn²⁺ formés donnent l'ion Zn(OH)₄^2- :

Zn + 4 OH^- Zn(OH)₄^2- + 2 e^-

MnO₂ + H₂O + e^- MnOOH + OH^-

Réaction de fonctionnement :

Zn + 2 MnO₂ + 2 OH^- + 2 H₂O Zn(OH)₄^2- + 2 MnOOH

Nombre d'oxydation

Dans MnO₂, le manganèse est au nombre d'oxydation + IV ; dans MnOOH, il est à + III : il gagne un électron, c'est une réduction. Le zinc passe de 0 à + II : il est oxydé.

La pile est représentée par son symbole, le réducteur de chaque couple étant écrit à l'extérieur :

Zn | Zn(OH)₄^2- || MnO₂ | MnOOH

Le collecteur (clou en acier) qui plonge dans le zinc est relié à la borne négative ; le boîtier en acier, au contact du dioxyde de manganèse, constitue la borne positive. Le graphite rend le mélange cathodique conducteur et diminue la résistance de la pile.

Fig. 1 — Coupe d'une pile alcaline cylindrique : le zinc (anode, borne -) est au centre, autour du clou collecteur ; le dioxyde de manganèse (cathode, borne +) est contre le boîtier.

III. Piles boutons

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