La pile Daniell et d'autres piles électrochimiques
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 et la représenter par son symbole ;
• relier le signe de la f.é.m. au sens de la réaction spontanée ;
• décrire la pile saline (Leclanché) et des piles alcalines.
Prérequis : oxydant, réducteur, couple redox, équation d'oxydoréduction.
Situation de départ
Télécommande, montre, lampe de poche : ces appareils fonctionnent avec des piles, qui ne contiennent que des espèces chimiques.
Comment une réaction chimique peut-elle produire un courant électrique ?
I. Transfert direct d'électrons
Une lame de zinc plongée dans une solution de sulfate de cuivre (II) se couvre de cuivre et la solution se décolore :
II. La pile Daniell
Constitution et fonctionnement
- deux demi-piles : une lame de zinc dans une solution de sulfate de zinc, une lame de cuivre dans une solution de sulfate de cuivre (II), reliées par un pont salin ;
- le courant circule à l'extérieur de la borne cuivre (+) vers la borne zinc (-) ; les électrons passent par le circuit extérieur : transfert indirect ;
- à l'anode (zinc), oxydation : Zn Zn2+ + 2 e- ; à la cathode (cuivre), réduction : Cu2+ + 2 e- Cu ;
- le pont salin (solution gélifiée de chlorure ou de nitrate de potassium) ferme le circuit et maintient la neutralité électrique des solutions : les ions K+ migrent vers la demi-pile du cuivre, où des ions Cu2+ disparaissent, et les ions Cl- vers celle du zinc, où des ions Zn2+ apparaissent.
Une demi-pile est formée d'un conducteur électronique (métal, alliage ou graphite) en contact avec un conducteur ionique (électrolyte) ; elle correspond à un couple redox. Une pile associe deux demi-piles reliées par un pont salin ou une paroi poreuse.
Symbole et f.é.m.
La pile est symbolisée par Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu ; on lui associe l'équation Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu (chaque réducteur du même côté que dans le symbole). Sa f.é.m. est E = Vb.D - Vb.G en circuit ouvert (borne de droite moins borne de gauche du symbole) : on la mesure avec un voltmètre dont la borne COM est reliée à la borne de gauche. Ici E = + 1,10 V lorsque [Cu2+] = [Zn2+].
Si E > 0, la réaction directe de l'équation associée se produit quand la pile débite ; si E < 0, c'est la réaction inverse.
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