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) Cu_(s) + Zn²⁺_(aq) ;
sa constante d'équilibre est ;
À l'état initial, le quotient de réaction est
Qr,i 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 :
le schéma de principe de la pile Daniell est le suivant :

Chaque bécher contient les deux espèces d'un couple oxydant/réducteur.



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) 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 :


* 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 ;
les électrons circulent dans le sens inverse : du pôle négatif au pôle positif.

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 :

* Une pile à l'équilibre est une pile usée qui ne peut plus débiter : et .

III. Quantité d'électricité débitée par une pile et quantités de matière mises en jeu

1. Quantité d'électricité débitée par une pile

2. Quantités de matière mises en jeu : application

* Enoncé :
Au cours du fonctionnement d'une pile Daniell, la masse de l'électrode du zinc diminue de 0,13 g en 1h40 min.
Quelle est l'intensité I du courant constant débitée ?

* Solution :

IV. Les piles usuelles

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