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TitleFiche Cours11 Les Piles
TagsElectric Generator Voltage Power (Physics) Redox Copper
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CHIMIE TS : FICHE COURS 11 1/3 LES PILES

Ce qu'il faut retenir

Les piles


1. Transferts spontanés d’électrons
Un transfert spontané d’électrons peut se produire entre les espèces chimiques de deux couples
Oxydant/Réducteur :

soit en les mélangeant : le transfert spontané d’électrons est alors direct.
soit en séparant les couples mais en les reliant par un circuit électrique : le transfert spontané d’électrons

se fait alors indirectement via le circuit électrique ( apparition d’un courant électrique ); on a ainsi constitué
un générateur électrochimique appelé pile.



2. Comment réaliser une pile ?
Le seul cas de pile au programme est celui où les couples Oxydant/Réducteur mis en jeu qui interviennent sont du
type cation métallique / métal ( Mn+(aq) / M(s) )
Une pile du type cation métallique/ métal est constituée par :

une plaque de métal M plongeant dans une solution de son oxydant conjugué Mn+(aq) ( demi-pile Mn+(aq) /M) ;
un métal M’ plongeant dans une solution de son oxydant conjugué M’ p+(aq) ( demi-pile M’ p+(aq) /M’ ) ;
un pont salin, dispositif contenant une solution électrolytique, reliant les deux demi-piles.

Les plaques de métal M et M’ sont appelée électrodes.

Schématisation ; polarités; notation; exemples
Une pile possède un pôle + et un pôle - : lorsque les
polarités ont été déterminées, une pile se note toujours en
commençant par le pôle – ( cf schéma et notation ci-après ).

Exemples de piles réalisées en TP
Zn(s)/Zn2+(aq) // Cu2+(aq) /Cu(s) ou pile Daniell
pôle - pôle +
Zn(s)/Zn2+(aq) // Fe2+(aq) /Fe(s)
pôle - pôle +
Fe(s)/Fe2+(aq) // Cu2+(aq) /Cu(s)
pôle - pôle +


Détermination expérimentale de la polarité : deux façons.

soit en déterminant à l’aide d’un ampèremètre le
sens du courant lorsque l’on fait débiter la pile dans
un circuit électrique : un affichage positif de
l’ampèremètre signifie que le courant sort par la
borne COM ; les polarités sont alors déterminées en
utilisant le fait que le courant va du pôle + vers le
pôle - à l’extérieur de la pile.















soit à l’aide d’un voltmètre branché aux électrodes
de la pile : un affichage positif de la tension
indique que la borne COM est reliée au pôle - de
la pile ; la tension positive affichée mesure la f.é.m E
de la pile ( dans ce cas la pile ne débite pas : I = 0 ).





Pont salin
M M’

Mn+(aq) M’ p+(aq)

M(s)/Mn+(aq) // M’ p+(aq) /M’ (s)


M M’

Mn+(aq) M’ p+(aq)

V
COM

E


M M’

Mn+(aq) M’ p+(aq)

A
I I

COM

I

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CHIMIE TS : FICHE COURS 11 2/3 LES PILES

3. Comment fonctionne une pile ?
Nature du courant électrique débité
Le courant électrique dans le circuit d’une pile est dû à une double migration de porteurs de charges :

les porteurs de charges négatifs, les électrons dans les parties métalliques du circuit et les anions présents
dans les diverses solutions aqueuses (demi-piles et pont salin ) : ils circulent dans le sens opposé au sens
conventionnel du courant.

les porteurs de charges positives, les cations présents dans les diverses solutions : ils circulent dans le sens
conventionnel du courant.

Réactions aux électrodes : bilan global de la
transformation.
Prenons l’exemple d’une pile Cu(s)/Cu2+(aq)//Ag+(aq)/Ag(s), où le pôle
- est l’électrode en cuivre, débitant dans un circuit électrique.
Le sens du courant est donc déterminé ( du + vers le - à l’extérieur de
la pile ) : les électrons partent de l’électrode Cu et arrivent à
l’électrode Ag.

Réaction au pôle - ( électrode en cuivre )
Cu(s) = Cu2+(aq) + 2 e-(2 e- cédés à l’électrode de cuivre par un atome Cu)

C’est une oxydation : on dit que l’électrode en cuivre est une anode.
L’électrode de cuivre passe progressivement en solution : sa masse
diminue.

Réaction au pôle + ( électrode en argent )
Ag+(aq) + e- = Ag(s) (1 e- capté par un ion Ag+(aq) )

C’est une réduction : on dit que l’électrode en argent est une cathode.
Il y a un dépôt d’argent solide sur l’électrode d’argent : sa masse augmente.

Bilan global de la transformation
On élimine les électrons échangés aux électrodes entre les deux équations :
Cu(s) = Cu2+(aq) + 2 e- ( x1 ) z = 2 e- cédés au total
Ag+(aq) + e- = Ag(s) ( x 2 ) z = 2 e- captés au total
Cu(s) + 2 Ag+(aq) = Cu2+(aq) + 2 Ag(s) z = 2 e- échangés au total indirectement via le circuit électrique

Nécessité et rôle du pont salin
Sans le pont salin, le courant ne peut circuler : en effet dès que des électrons sont échangés aux électrodes, la
disparition ou l’apparition d’ions a pour effet de charger les solutions des demi-piles ( + pour la demi-pile
Cu/Cu2+(aq) et - pour l’autre ) ; les électrons ne peuvent donc plus circuler car ils sont retenus en voulant quitter
l’électrode de cuivre et repoussés en arrivant à l’électrode d’argent.
Le pont salin sert à assurer l’électroneutralité des solutions des demi-piles pour rendre possible les échanges
d’électrons aux électrodes afin de perpétuer le passage du courant.


4. Evolution spontanée d’une pile
Sens de l’évolution spontanée
Une pile, lorsqu’elle débite, est un système hors équilibre.
Lors de l’évolution spontanée de la pile, la valeur du quotient de réaction Qr tend vers K, constante d’équilibre
associée à l’écriture de la réaction globale ayant lieu dans la pile.
Exemple : cas de la pile Cu(s)/Cu2+(aq)//Ag+(aq)/Ag(s),

Qr = 2]Ag[

]2Cu[
tend vers K.

Le critère dévolution spontanée permet de retrouver le sens de déplacement des porteurs de charges.
Exemple : dans le cas de la pile cuivre/argent, K ayant une valeur très élevée Qr,i est toujours inférieur à K : donc Qr
augmente. Il en résulte que [Cu2+] augmente ( des électrons partent donc de l’électrode de cuivre, cédés par des
atomes de cuivre pour donner des ions Cu2+(aq) ) et que [Ag+] diminue ( des électrons arrivent donc à l’électrode
d’argent pour être captés par des ions Ag+(aq) ).



Cu Ag

Cu2+(aq) Ag+(aq)

I

I

e-

e-

SO4
2-(aq) NO3

-(aq)

K+(aq) Cl-(aq)

e-

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CHIMIE TS : FICHE COURS 11 3/3 LES PILES

Pile usée
Lorsqu’une pile atteint un état d’équilibre, elle ne débite plus, car les concentrations ne varient plus: on dit que la
pile est « usée ».
Lorsqu’une pile est usée : Qr = Qr,éq = K et l’intensité du courant I = 0.


5. Quantité d’électricité et quantité de matière des espèces formées ou
consommées
Quantité d’électricité et intensité du courant
La quantité d’électricité, Q, mise en jeu lors du fonctionnement d’une pile est égale à la valeur absolue de la
charge totale des électrons échangés pendant une durée t de fonctionnement.

Si l’intensité I du courant débité est constante pendant t, on a la relation :

Q = I. t
avec Q en coulomb ( C), I en ampère ( A ) et t en seconde ( s ).



Le faraday ( F)
Le faraday, de symbole F, est la quantité d’électricité contenue dans 1 mol d’électrons.

1 F = NA. e 9,65.10
4 C.mol-1

avec NA, constante d’Avogadro.



Quantité d’électricité et quantité de matière d’électrons échangés aux électrodes
La quantité d’électricité Q mise en jeu lors du fonctionnement d’une pile est lié à la quantité de matière ne
d’électrons échangés aux électrodes par la relation :

Q = ne F
avec Q en coulomb ( C), ne en mol et F en C.mol

-1.

Quantité d’électricité et quantités de matière consommées ou formées aux électrodes
Problème : connaissant Q, quantité d’électricité mise en jeu lors du fonctionnement d’une pile, déterminer les quantités
de matière déposées ou consommées aux électrodes.
Une méthode

exprimer l’avancement x de la réaction globale en fonction de ne = Q/F, quantité de matière d’électrons échangés ;
en déduire les expressions des diverses quantités de matière en fonction de Q.

Un exemple : dans la pile cuivre/argent, exprimer, en fonction de Q, les quantités de matière n(Cu) disparue et n(Ag)
déposée pendant le fonctionnement de la pile.
On construit un tableau d’avancement avec une colonne de plus, réservée à ne, en tenant compte que pour une
réaction élémentaire globale, 2 électrons sont échangés aux électrodes ( cf paragraphe 3 ).
Cu(s) + 2 Ag+(aq) = Cu2+(aq) + 2 Ag(s) ne mol d’électrons

échangés
Etat initial x = 0 ni(Cu) ni(Ag

+) ni(Cu
2+) ni(Ag) 0

Etat
intermédiaire

x ni(Cu)- x ni(Ag
+ ) - 2x ni(Cu

2+ ) + x ni(Ag) + 2x 2 x

Comme ne = 2 x, on a immédiatement : x = ne/2 = Q/2F . On en déduit :
n(Cu) disparue = x = Q/2F et n(Ag) déposée = 2 x = 2 Q/ 2F = Q/F.


Quantité d’électricité maximale débitée par une pile
La quantité d’électricité maximale Qmax débitée par une pile est la quantité d’électricité mise en jeu jusqu’à ce
qu’elle soit usée, c’est à dire, le plus souvent jusqu’à épuisement de l’un des réactifs ( x = xmax).

Qmax = nemax F
Exemple : cas de la pile cuivre argent ; il faut déterminer xmax ( correspondant au réactif limitant Cu ou Ag

+ ): On a :
nemax = 2 xmax. On en déduit : Qmax = 2 xmax F.

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