Transformations Spontanées dans les Piles et Production d’Énergie
Chimie – 2ème BAC Sciences Physiques SPC
Introduction
Les piles exploitent des réactions d’oxydoréduction spontanées pour produire de l’énergie électrique. Ces transformations mettent en jeu un transfert d’électrons entre deux couples redox.
Pile Daniell
Exemple classique de pile électrochimique
Production d’énergie
Conversion d’énergie chimique en énergie électrique
1. Principes de Base des Piles
Demi-équations redox
Ox + ne⁻ ⇌ Red
Exemple pour la pile Daniell :
- Zn²⁺ + 2e⁻ ⇌ Zn (E° = -0,76 V)
- Cu²⁺ + 2e⁻ ⇌ Cu (E° = +0,34 V)
Schéma d’une pile
Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu
Fonctionnement d’une pile
Oxydation
À l’anode (pôle -)
Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
Réduction
À la cathode (pôle +)
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
Réaction globale
Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
2. Force Électromotrice (f.é.m.)
\[ E°_{pile} = E°_{cathode} – E°_{anode} \]
Exemple de calcul
Pour la pile Daniell :
E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 V
E°(Zn²⁺/Zn) = -0,76 V
E°pile = 0,34 – (-0,76) = 1,10 V
Relation avec ΔG
\[ ΔG° = -nFE° \]
Avec :
- n : nombre d’électrons échangés
- F : constante de Faraday (96 500 C/mol)
Tableau des potentiels standards
| Couple redox | Demi-équation | E° (V) |
|---|---|---|
| Zn²⁺/Zn | Zn²⁺ + 2e⁻ ⇌ Zn | -0,76 |
| Fe²⁺/Fe | Fe²⁺ + 2e⁻ ⇌ Fe | -0,44 |
| H⁺/H₂ | 2H⁺ + 2e⁻ ⇌ H₂ | 0,00 |
| Cu²⁺/Cu | Cu²⁺ + 2e⁻ ⇌ Cu | +0,34 |
| Ag⁺/Ag | Ag⁺ + e⁻ ⇌ Ag | +0,80 |
3. Piles Courantes
Pile au citron
Électrodes : Zn et Cu
Électrolyte : acide citrique
f.é.m. ≈ 0,9 V
Pile saline
Électrodes : Zn et C
Électrolyte : NH₄Cl
f.é.m. = 1,5 V
Pile rechargeable (accumulateur)
Pile au plomb
Réaction de décharge :
Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O
E° = 2,05 V
Lithium-ion
Réaction simplifiée :
LiCoO₂ + C ⇌ Li₁₋ₓCoO₂ + LiₓC
E° ≈ 3,7 V
4. Applications Technologiques
Stockage d’énergie
Batteries pour véhicules électriques
Stockage énergies renouvelables
Électronique portable
Piles bouton (montres)
Batteries Li-ion (téléphones)
Enjeux environnementaux
Recyclage
Récupération des métaux lourds
Alternatives
Piles à combustible
Innovations
Batteries solides
