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Fiche de physique






I. Transfert spontané d'électrons

1. Transfert spontané direct

* Expérience :
On introduit une lame de zinc Zn(s) et une lame de cuivre Cu(s) dans un mélange de solutions de sulfate de zinc et de sulfate de cuivre tel que [Zn2+]i = [Cu2+]i.
On constate qu'il ne s'est rien passé sur la lame de cuivre et un dépôt rouge cuivre s'est formé sur la lame de zinc.

* interprétation :
  • l'équation de la réaction est Cu2+(aq) + Zn(s) \longrightarrow Cu(s) + Zn2+(aq).
  • Sa constante d'équilibre est K = 1,9.10^{37}.

  • À l'état initial, le quotient de réaction est Qr,i = \dfrac{[Zn^{2+}]i}{[Cu^{2+}]i} = 1.
  • Qr,i \ll K donc le système chimique évolue spontanément dans le sens direct. Les électrons n'existent pas en solution aqueuse donc le transfert d'e- entre Zn et Cu2+ se fait par contact :
la réaction a lieu à la surface de contact entre la lame de zinc et la solution qui contient Cu2+.

2. Transfert spontané indirect

* Expérience : pile Daniell
Les piles : image 2
  • Chaque bécher contient les deux espèces d'un couple oxydant/réducteur.
Définitions :
* Une demi-pile est l'ensemble constitué par les deux espèces d'un couple Ox/Red.
* Une pile comporte toujours deux demi-piles dont les électrolytes sont reliées par un conducteur ionique (pont électrolytique ou vase poreux).
  • Pour qu'une pile fonctionne, il faut que les lames métalliques, appelées électrodes, soient reliées par une suite continue de conducteurs métalliques.
  • On constate qu'un courant d'intensité I traverse la résistance R en allant de la lame Cu vers la lame Zn.

* Interprétation :
  • Les lames métalliques, les fils de jonction, l'ampèremètre, la résistance R sont parcourus par des électrons libres qui se déplacent en sens inverse du courant.
  • Les solutions ioniques sont le siège d'un double déplacement d'ions.
- les anions se déplacent vers l'anode, en sens inverse du courant
- les cations se déplacent vers la cathode, dans le sens du courant.
  • Au niveau de la lame de Zn, des électrons sont donnés au circuit par oxydation des atomes de Zn :
Zn(s) = Zn2+(aq) + 2e-
  • Au niveau de la lame de Cu, des électrons venant du circuit sont consommés par réduction des ions Cu2+ :
Cu2+ + 2e- = Cu(s)

Ainsi, l'échange d'électrons entre Zn et Cu2+ se fait de façon indirecte, par l'intermédiaire du circuit extérieur.
C'est à la surface des électrodes que se font les échanges d'électrons.
Le bilan de cet échange est Cu2+(aq) + Zn(s) \longrightarrow Cu(s) + Zn2+(aq).
L'évolution du système se fait dans le sens direct sans contact entre les réactifs, mais la boucle conductrice doit être fermée.


II. Constitution et fonctionnement d'une pile

1. Constitution d'une pile

* Une pile est constituée de deux demi-piles reliées par un pont ionique qui assure la neutralité électrique de chaque solution.
* Pour fonctionner, la pile doit être placée dans un circuit électrique fermé par un conducteur métallique qui permet un transfert d'électrons entre un oxydant d'un couple et le réducteur d'un autre couple.

2. Schéma conventionnel

Pour la pile Daniell : - Zn|Zn2+ || Cu2+|Cu +

3. Force électromotrice d'une pile

* définition :

La fém d'une pile est la tension entre le pôle positif et le pôle négatif de cette pile à vide (quand elle ne débite pas de courant).

* Exemple de la pile Daniell : pour cette pile, la fém est E = 1,1 V. Quand la pile fonctionne, le courant I circule dans le circuit du pôle positif, électrode de cuivre, vers le pôle négatif, électrode de zinc.

4. Évolution spontanée d'une pile

* Lorsqu'elle débite, la pile est un système hors équilibre. Elle est le siège d'un transfert spontané d'électrons indirect :
Les piles : image 1

* Une pile à l'équilibre est une pile usée qui ne peut plus débiter : \boxed{Qr,eq = K} et \boxed{Ieq = 0}.


III. Quantité d'électricité débitée par une pile

Définitions :
* La quantité d'électricité Q mise en jeu au cours du fonctionnement d'une pile est égale à la charge totale des électrons échangés :
\boxed{Q = n(e^-).N_{A}.e}

avec n(e-) quantité d'électrons échangés au cours du fonctionnement d'une pile ; NA la constante d'Avogadro ; e la charge élémentaire.

* Le faraday F est la valeur absolue de la charge d'une mole d'électrons ou quantité d'électricité transportée par une mole d'électrons :
1 F = NA.e = 96 500 C.mol-1


Ainsi, \boxed{Q=n(e^-).F}.

* La quantité d'électricité que fait circuler une pile qui débite un courant d'intensité I pendant une durée \Delta t est \boxed{Q=I.\Delta t}.

* La capacité d'une pile est la quantité d'électricité maximale que cette pile peut fournir.



IV. Les piles usuelles

On peut évoquer par exemple :
* la pile saline
* la pile alcaline
* la pile à combustible.



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