⚗ Spécialité Physique-Chimie · Chimie Terminale Générale · Chapitre 7

Piles et électrolyse

Constitution et fonctionnement d'une pile, oxydation à l'anode et réduction à la cathode, sens spontané, capacité et quantité d'électricité, électrolyse (transformation forcée), accumulateurs et piles à combustible.

1. La pile, siège d'une transformation spontanée

Définition

Une pile est formée de deux demi-piles (chacune contenant un couple oxydant/réducteur) reliées par un pont salin qui assure la neutralité électrique et la circulation des ions. Les électrons, cédés par le réducteur d'un couple, circulent dans le circuit extérieur jusqu'à l'oxydant de l'autre couple.

Pile Daniell : le zinc est oxydé (pôle ?), les ions cuivre(II) sont réduits sur l'électrode de cuivre (pôle +) ; les électrons circulent dans le circuit extérieur du zinc vers le cuivre.

Propriété · Électrodes

À l'anode (pôle $-$) a lieu une oxydation : $\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-$.
À la cathode (pôle $+$) a lieu une réduction : $\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}$.

Le sens de fonctionnement est celui de l'évolution spontanée ($Q_r \lt K$). La pile est usée quand $Q_r = K$.

Propriété · Quantité d'électricité

Une pile débitant $I$ pendant $\Delta t$ fait circuler $Q = I\,\Delta t = n(e^-)\,\mathcal{F}$, avec $\mathcal{F} = 96\,500$ C/mol (constante de Faraday). La capacité d'une pile est la charge maximale qu'elle peut débiter (souvent en mAh : $1$ mAh $= 3{,}6$ C).

Expérience · Réaliser une pile Daniell

Matériellame de zinc dans une solution de sulfate de zinc, lame de cuivre dans une solution de sulfate de cuivre, pont salin (papier imbibé de nitrate de potassium), voltmètre, ampèremètre, petit moteur.

ProtocoleOn relie les deux lames au voltmètre (borne COM sur le zinc), puis on branche le moteur avec l'ampèremètre.

ObservationLe voltmètre indique environ $+1{,}1$ V ; le moteur tourne ; le courant sort par l'électrode de cuivre. Après plusieurs heures, la lame de zinc est rongée et du cuivre s'est déposé.

InterprétationLe cuivre est le pôle $+$ (réduction des ions $\text{Cu}^{2+}$), le zinc le pôle $-$ (oxydation). La tension à vide vaut environ $1{,}1$ V.

2. L'électrolyse, transformation forcée

Définition

Un générateur peut imposer un courant qui fait évoluer un système dans le sens inverse de son évolution spontanée ($Q_r$ s'éloigne de $K$) : c'est une électrolyse. Oxydation à l'anode (reliée au pôle $+$ du générateur), réduction à la cathode (reliée au pôle $-$).

Exemple · Applications

Recharge d'un accumulateur (batterie de téléphone, de voiture) : électrolyse qui reforme les réactifs.
Dépôts métalliques (cuivrage, chromage), production d'aluminium, de dichlore, de dihydrogène par électrolyse de l'eau.
Pile à combustible : $2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$ fournit de l'électricité sans combustion.

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Polarité d'une pile

★☆☆

Dans une pile zinc-argent, le zinc est oxydé en $\text{Zn}^{2+}$ et les ions $\text{Ag}^+$ sont réduits en argent. Quelle électrode est le pôle $-$ ? Écrire l'équation de fonctionnement.