Les piles électrochimiques

Spé. Physique-Chimie · Terminale · cours rédigé et vérifié par Claryo, conforme au Bulletin officiel

L'essentiel

Une pile électrochimique exploite une transformation d'oxydoréduction spontanée pour produire de l'électricité : elle convertit de l'énergie chimique en énergie électrique. Les deux demi-réactions sont séparées dans deux compartiments (demi-piles), reliés par un circuit extérieur où circulent les électrons et par un pont salin qui ferme le circuit à l'intérieur.

À l'anode se produit l'oxydation : c'est la borne négative, d'où partent les électrons. À la cathode se produit la réduction : c'est la borne positive, où arrivent les électrons. Dans le circuit extérieur, les électrons circulent donc de l'anode vers la cathode ; le courant conventionnel circule en sens inverse. Dans le pont salin, les ions assurent la neutralité électrique : les cations migrent vers la cathode, les anions vers l'anode.

La pile fonctionne tant que le système est hors équilibre (Q_r \neq K). Elle est usée lorsque l'équilibre est atteint : la tension s'annule et le débit cesse. La charge débitée se relie à la quantité d'électrons échangés par la constante de Faraday.

Formules et schémas clés

  • Charge débitée : Q = I \times \Delta t (C, A, s).
  • Quantité d'électrons : n(e^-) = \dfrac{Q}{F}, F = 96\,500\ \text{C·mol}^{-1}.
  • Lien avec le réactif via la demi-équation : pour Ox + n\,e^- = Red, n(\text{espèce}) = \dfrac{n(e^-)}{n}.
  • Masse déposée ou consommée : m = n \times M.
  • Pile Daniell : Zn(s) + Cu^{2+} = Zn^{2+} + Cu(s).

Méthode type bac

On identifie le réducteur le plus fort, qui sera oxydé à l'anode (borne négative), et l'oxydant le plus fort, réduit à la cathode (borne positive). On écrit les deux demi-équations, puis l'équation globale par combinaison en équilibrant les électrons. Pour un bilan de matière, on relie la charge Q = I\,\Delta t à n(e^-) = Q/F, puis aux quantités d'espèces via les coefficients des demi-équations.

Pièges

Ne pas confondre sens des électrons (anode vers cathode dans le circuit extérieur) et sens du courant (inverse). Convertir la durée en secondes avant tout calcul de charge. Respecter le nombre d'électrons de la demi-équation pour passer de n(e^-) à la quantité d'espèce. L'anode est ici la borne négative (contrairement à l'électrolyse, où l'anode est positive).

Pour l'épreuve

Pose clairement le tableau anode/cathode avec les signes et les demi-équations. Pour un bilan quantitatif, déroule la chaîne Q = I\,\Delta t \rightarrow n(e^-) = Q/F \rightarrow n(\text{espèce}) \rightarrow m = nM et vérifie chaque unité. Rappelle qu'une pile s'use lorsque Q_r rejoint K, lien direct avec le critère d'évolution spontanée.