Chimie · 4ème InfoThème 2 : L'électrochimie · Chapitre 1

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

Animation

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

Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu
Les électrons passent directement du zinc aux ions Cu2+, au contact : l'énergie libérée se dissipe en chaleur, sans courant utilisable.

II. La pile Daniell

Animation

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.
Demi-pile

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.

© Mohamed — mimba-educ.com | MB-79E07FC2PILE DANIELLpont salin (KCl)Cl-K+Re-I-+ZnCuZn2+Cu2+ANODECATHODEZnZn2+ + 2 e-Cu2+ + 2 e-Cuélectrons : du zinc vers le cuivre par le circuit extérieur© Mohamed — mimba-educ.com
Fig. 1 — Pile Daniell en fonctionnement : les électrons vont du zinc au cuivre par le circuit extérieur, les ions du pont salin assurent la neutralité des solutions.

Symbole et f.é.m.

Animation

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+].

Sens de la réaction spontanée

Si E > 0, la réaction directe de l'équation associée se produit quand la pile débite ; si E < 0, c'est la réaction inverse.

© Mohamed — mimba-educ.com | MB-79E07FC2SYMBOLE ET SIGNE DE EZn | Zn2+ || Cu2+ | Cuborne Gborne DE = V(D) - V(G) = + 1,10 VE > 0 : la réaction directe est spontanéeCu | Cu2+ || Zn2+ | Znborne Gborne DE = V(D) - V(G) = - 1,10 VE < 0 : la réaction inverse est spontanée© Mohamed — mimba-educ.com
Fig. 2 — Écrire la pile dans l'autre sens change le signe de E et l'équation associée, mais pas la polarité des bornes ni la réaction qui se produit.

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