Transformations spontanées dans les piles et récupération de l’énergie
Transfert spontané d’électrons – Pile Daniell
1.1 Transferts spontanés directs
Activité 1 : Réaction d’oxydoréduction entre espèces chimiques en contact direct
On mélange \(V_1 = 20\,\text{mL}\) de sulfate de cuivre (\(Cu^{2+} + SO_4^{2-}\), \(C_1 = 0,1\,\text{mol·L}^{-1}\)) et \(V_2 = 20\,\text{mL}\) de sulfate de zinc (\(Zn^{2+} + SO_4^{2-}\), \(C_2 = 0,1\,\text{mol·L}^{-1}\)). On plonge une lame de cuivre et une lame de zinc.
1. Équation de la réaction :
C’est une oxydoréduction car il y a transfert d’électrons entre l’oxydant \(Cu^{2+}\) et le réducteur \(Zn\).
2. Quotient initial \(Q_{r,i}\) :
3. Sens d’évolution : \(K = 1,9 \times 10^{37}\) (très grand). Puisque \(Q_{r,i} = 1 < K\), le système évolue dans le sens direct.
4. Observations : Du cuivre métallique se dépose sur la lame de zinc → accord avec le sens direct.
5. Transfert d’électrons : Les électrons sont transférés directement du zinc aux ions \(Cu^{2+}\) au contact.
1.2 Transferts spontanés indirects – Pile Daniell
Activité 2 : réaction d’oxydoréduction avec espèces séparées
- Bécher 1 : lame de cuivre dans \(V_1 = 20\,\text{mL}\) de \(CuSO_4\) (\(C_1 = 0,1\,\text{mol·L}^{-1}\)).
- Bécher 2 : lame de zinc dans \(V_2 = 20\,\text{mL}\) de \(ZnSO_4\) (\(C_2 = 0,1\,\text{mol·L}^{-1}\)).
- Les deux solutions sont reliées par un pont salin (tube en U contenant une solution gélifiée de KCl).
Le circuit extérieur (fils métalliques) permet aux électrons de circuler de l’anode (zinc) vers la cathode (cuivre).
🔌 Schéma de la pile Daniell
⚡ Fonctionnement de la pile
Demi‑réactions :
- Pôle négatif (anode, oxydation) : \( Zn_{(s)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + 2e^- \)
- Pôle positif (cathode, réduction) : \( Cu^{2+}_{(aq)} + 2e^- \rightarrow Cu_{(s)} \)
Bilan : \( Zn_{(s)} + Cu^{2+}_{(aq)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + Cu_{(s)} \)
Les électrons circulent dans le circuit extérieur de l’anode (Zn) vers la cathode (Cu). Le pont salin assure la continuité électrique et la neutralité des solutions.
✎ À retenir :
• Un transfert direct d’électrons se produit au contact des réactifs (réaction chimique spontanée).
• Dans une pile, les oxydant et réducteur sont séparés ; le transfert d’électrons est forcé à passer par un circuit extérieur, produisant un courant électrique.
• La pile Daniell (\(Zn/Cu^{2+}\)) est un exemple classique de conversion d’énergie chimique en énergie électrique.
Fonctionnement de la pile Daniell – Porteurs de charge, réactions, rôle du pont
Montage : Deux plaques (zinc et cuivre) plongées respectivement dans ZnSO₄ et CuSO₄, reliées par un pont salin. Un circuit extérieur (résistance, ampèremètre, interrupteur) est branché entre les deux plaques. Intensité mesurée : 0,76 mA.
1. Porteurs de charge responsables du courant
- Dans les plaques métalliques et le conducteur ohmique : les électrons.
- Dans les solutions aqueuses : les ions (cations et anions).
2. Polarité de la pile – Anode et cathode
L’ampèremètre indique une valeur positive → sa borne COM est reliée au pôle négatif de la pile.
- Pôle positif (+) : plaque de cuivre → cathode (réduction).
- Pôle négatif (–) : plaque de zinc → anode (oxydation).
3. Sens de déplacement des porteurs de charge
Courant électrique (sens conventionnel) : du pôle positif (+) vers le pôle négatif (–) à l’extérieur de la pile → va de la plaque de cuivre vers la plaque de zinc.
Électrons : se déplacent en sens inverse du courant, donc de la plaque de zinc (anode) vers la plaque de cuivre (cathode).
Dans les solutions :
- Cations (\(Cu^{2+}, Zn^{2+}, K^+\)) → se déplacent dans le sens du courant (vers la cathode).
- Anions (\(SO_4^{2-}, Cl^-\)) → se déplacent en sens inverse du courant (vers l’anode).
4. Réactions aux électrodes
À l’anode (zinc) : oxydation – la masse de zinc diminue.
À la cathode (cuivre) : réduction – du cuivre se dépose, la masse de l’électrode augmente.
5. Bilan de la réaction – Équation globale
6. Rôle du pont ionique
- Fermer le circuit électrique (assurer la continuité ionique).
- Maintenir la neutralité électrique des solutions en permettant la migration des ions : les cations se déplacent vers la cathode, les anions vers l’anode.
7. Critère d’évolution spontanée
Constante d’équilibre de la réaction : \(K = 1,9 \times 10^{37}\).
Quotient initial (concentrations identiques : \(C_1 = C_2\), volumes égaux) :
\[ Q_{r,i} = \frac{[Zn^{2+}]_i}{[Cu^{2+}]_i} = 1 \]Puisque \(Q_{r,i} < K\), le système évolue spontanément dans le sens direct (formation de \(Cu\) et \(Zn^{2+}\)).
✎ À retenir :
• Dans une pile, l’oxydation se produit à l’anode (–) et la réduction à la cathode (+).
• Le courant circule du + vers le – à l’extérieur ; les électrons circulent en sens inverse.
• Le pont salin assure la continuité ionique et la neutralité électrique.
• La réaction globale est spontanée (\(Q_{r,i} < K\)) et s’arrête lorsque l’équilibre est atteint.
