Fonctionnement d’une pile

Une pile est le siège d’un transfert indirect d’électrons entre le réducteur d’un couple et l’oxydant d’un autre couple. Cela permet une conversion d’énergie chimique en énergie électrique : nous en faisons chaque jour l’usage !

I) Principe de fonctionnement

Une pile est constituée de deux demi-piles, chacune contenant une électrode (fil ou plaque métallique) qui plonge dans un électrolyte (solution contenant des ions métalliques). Une demi-pile est le siège d’une réaction d’oxydation ou de réduction.

Les deux demi-piles sont reliées par un pont salin ou une membrane qui ferme le circuit, assurant ainsi le passage du courant électrique et maintient l’électroneutralité des solutions.

L’électrode qui est le siège d’une oxydation est l’anode.

L’électrode qui est le siège d’une réduction est la cathode.

Lorsqu’une pile fonctionne, les électrons sont produits à l’anode et consommés à la cathode. Ainsi, l’anode constitue le pôle (–) et la cathode le pôle (+) d’une pile. Dans le circuit électrique extérieur à la pile, les électrons vont de l’anode vers la cathode. Le courant électrique circule en sens inverse des électrons, c’est-à-dire du pôle (+) (cathode) vers le pôle (–) (anode).

L’écriture symbolique d’une pile est : (–) Réd₁/Ox₁//Ox₂/Réd₂ (+).

II) Schéma d’une pile en fonctionnement

Exemple : pile Daniell : (–) Zn_(s) /Zn²⁺_(aq) // Cu²⁺_(aq) /Cu_(s) (+).

À noter

On utilise un pont salin car mélanger les deux demi-piles dans un bécher provoquerait un transfert direct d’électrons du réducteur à l’oxydant. Le pont salin impose un circuit extérieur aux électrons générant un courant électrique utilisable.

À la cathode (+), il y a réduction des ions cuivre : ${\text{Cu}}^{2+}+2{\text{e}}^{-}\rightleftarrows \text{Cu}$.

À l’anode (–), il y a oxydation des atomes de zinc : $\text{Zn}\rightleftarrows {\text{Zn}}^{2+}+2{\text{e}}^{-}$.

Finalement, on a donc la réaction : ${\text{Zn}}_{\left(\text{s}\right)}+{\text{Cu}}_{\left(\text{aq}\right)}^{2+}\to {\text{Zn}}_{\left(\text{aq}\right)}^{2+}+{\text{Cu}}_{\left(\text{s}\right)}$.

Méthode

Déterminer l’équation de réaction d’une pile en fonctionnement

Établir l’équation de la réaction se produisant lorsque la pile plomb-cuivre ci-dessous fonctionne.

Conseils

Identifiez le sens du courant électrique et donc le sens de circulation des électrons. Ainsi, vous connaîtrez la polarité de la pile et donc le lieu où sont libérés les électrons et celui où ils sont captés. C’est ce qui permettra d’identifier les réactifs et les produits.

Solution

D’après le schéma, I > 0 : le courant électrique rentre donc par la borne mA de l’ampèremètre et sort par la borne COM. Ainsi, le courant électrique circule de l’électrode de cuivre à l’électrode de plomb dans le circuit extérieur.

L’électrode de cuivre est la cathode alors que celle de plomb est l’anode.

Les électrons circulant dans le sens contraire de celui du courant électrique, ils vont donc de l’électrode de plomb à celle de cuivre.

Pb $\rightleftarrows$ Pb²⁺ + 2 e⁻.

Les atomes de plomb sont donc consommés : ils sont des réactifs.

Cu²⁺ + 2 e⁻$\rightleftarrows$ Cu.

Les ions cuivre sont donc consommés : ils sont des réactifs.

L’équation de la réaction d’oxydoréduction associée à la pile en fonctionnement est ainsi :