Pile électrochimique et énergie chimique

Principe de la pile

Une pile électrochimique est un dispositif qui convertit de l'énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction d'oxydoréduction spontanée ($Q_r < K$).

Constitution d'une pile

Une pile est constituée de deux demi-piles (ou électrodes), chacune contenant un couple oxydant/réducteur, reliées par :
- Un circuit extérieur (fil conducteur) où circulent les électrons.
- Un pont salin (ou membrane) qui assure la neutralité électrique et ferme le circuit ionique.

Vocabulaire

• Anode (borne −) : électrode où a lieu l'oxydation (le réducteur perd des électrons).
• Cathode (borne +) : électrode où a lieu la réduction (l'oxydant gagne des électrons).
• Les électrons circulent de l'anode vers la cathode dans le circuit extérieur.

Pile Daniell — Exemple

La pile Daniell met en jeu les couples $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ et $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$.

• Anode (Zn) : $\text{Zn}(s) \to \text{Zn}^{2+}(aq) + 2\,e^-$
• Cathode (Cu) : $\text{Cu}^{2+}(aq) + 2\,e^- \to \text{Cu}(s)$
• Bilan : $\text{Zn}(s) + \text{Cu}^{2+}(aq) \to \text{Zn}^{2+}(aq) + \text{Cu}(s)$

Cette réaction est spontanée car $Q_r < K$ (avec $K$ très grand).

Force électromotrice (f.é.m.)

La f.é.m. $$\text{Énergie chimique} \to \text{Énergie électrique} + \text{Chaleur}$$0 d'une pile est la tension à vide (quand aucun courant ne circule) :

$$E = V_{\text{cathode}} - V_{\text{anode}} > 0$$

Pour la pile Daniell : $$\text{Énergie chimique} \to \text{Énergie électrique} + \text{Chaleur}$$1 V.

La f.é.m. dépend des couples mis en jeu et des concentrations (formule de Nernst, hors programme en Terminale).

Lien avec le critère d'évolution

La pile fonctionne tant que $$\text{Énergie chimique} \to \text{Énergie électrique} + \text{Chaleur}$$2. Lorsque $$\text{Énergie chimique} \to \text{Énergie électrique} + \text{Chaleur}$$3, la pile est usée : l'équilibre est atteint, la f.é.m. est nulle, et plus aucun courant ne circule.

Conversion d'énergie

Dans une pile :
- L'énergie chimique (énergie libérée par la réaction spontanée) est convertie en énergie électrique.
- Une partie est dissipée sous forme de chaleur (effet Joule dans la résistance interne).

$$\text{Énergie chimique} \to \text{Énergie électrique} + \text{Chaleur}$$