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Leçon de chimie n°13 (agrégation 2011) :
Piles : mise en jeu de transformations chimiques spontanées (L).

Transcription des notes manuscrites de préparation à l'agrégation. Les schémas et le détail des calculs sont dans le document original : télécharger la leçon manuscrite (PDF, 2 pages).

Remarques du jury

Étude du transfert d'électrons, mise en évidence ; pile à vide et qui débite, résistance interne ; réalisation expérimentale d'une pile usuelle.

Prérequis

Oxydoréduction, réactions spontanées, équilibre.

Introduction, historique

Galvani (grenouille), Volta, Leclanché, pile à combustible…

Transfert spontané d'électrons entre deux couples rédox

Transfert spontané direct

Lame de fer dans une solution de Cu²⁺ ; ajout de OH⁻ : précipité bleu dans un bécher et vert dans l'autre, et cuivre déposé sur le fer : Cu²⁺ + Fe = Fe²⁺ + Cu.

Transfert spontané indirect : pile Daniell

Nécessité de récupérer le courant : apparition de I ; si on enlève une borne, I = 0 ; sans pont, I = 0. Réactions dans les compartiments (1) et (2) : Cu²⁺ + 2 e⁻ = Cu et Zn = Zn²⁺ + 2 e⁻.

La pile

Ses constituants

Deux demi-piles (couples rédox) et un pont salin : schéma conventionnel Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu.

Son fonctionnement

Lieu de la réduction : cathode (ici le pôle +) ; de l'oxydation : anode (pôle −). Cu²⁺ + Zn = Zn²⁺ + Cu, K = 10³⁷ ; ici \(Q_r = \dfrac{[\mathrm{Zn^{2+}}]}{[\mathrm{Cu^{2+}}]} = 1 \ll K\) : réaction spontanée, [Cu²⁺] diminue et [Zn²⁺] augmente, transfert de charge. Si Q_r = K, I = 0.

Ses caractéristiques

Force électromotrice : tension à vide, mesure (1,1 V) ; résistance interne : mesure (environ 1 Ω).

Quantité d'électricité débitée par la pile

\(Q = n(e^-)N_A|e| = nF\) (Faraday) ; \(Q = I\Delta t\) : capacité nominale en mA·h. Application numérique : [Zn²⁺] = 1 mol/L, V = 8 mL, Q = [Zn²⁺]VF… Ordres de grandeur : téléphone, montre, jouet.

Piles usuelles

Pile saline de type Leclanché

Description, sèche ou en gel, saline car l'électrolyte est un sel ; réalisation expérimentale.

Pile alcaline

Description, avantages ; alcaline car l'électrolyte contient OH⁻. Schéma.

Pile à combustible

O₂ + H₂ = H₂O, pas de pollution.

Conclusion : recyclage des piles usagées ; irréversibilité de la pile, différence avec un accumulateur.

Bibliographie

• Villa, TS
• Durupthy, TS
• Durupthy 1994, 1^re S / TS
• Familles rédox
• Le Maréchal, La chimie expérimentale