Piles et production d'énergie — Cours Chimie Bac SVT

Dans le programme du Bac SVT

Coefficient 5 en Bac SVT, derrière les Mathématiques et la SVT (coefficient 7). Le bloc chimie (cinétique, équilibres, acide-base, oxydoréduction, estérification) est commun aux filières expérimentales ; la transformation forcée (électrolyse) et le contrôle de l'évolution ne sont pas au programme SVT. Ce chapitre quantifie le fonctionnement d'une pile à partir du critère d'évolution spontanée.

À l'épreuve

Identification anode/cathode et polarité, rôle du pont salin, calcul de la quantité d'électricité $Q=I\,\Delta t$, de la quantité d'électrons $n(e^{-})=\dfrac{Q}{F}$, et de la masse de métal consommé ou déposé.

Objectifs d'apprentissage

Identifier l'anode (−, oxydation) et la cathode (+, réduction) d'une pile
Expliquer le rôle du pont salin
Calculer une quantité d'électricité Q = I·Δt
Utiliser Q = n(e⁻)·F (F ≈ 96500 C/mol)
Relier la quantité d'électricité à la masse de métal transformé

Notions clés

Constitution d'une pile

Deux demi-piles reliées par un pont salin. L'anode est le siège de l'oxydation (borne −), la cathode celui de la réduction (borne +). Dans le circuit extérieur, le courant conventionnel va de

+

vers

-

, les électrons en sens inverse.

Pont salin

Il ferme le circuit à l'intérieur et assure l'électroneutralité de chaque demi-pile en laissant migrer ses ions vers la solution qui s'enrichit en charges.

Quantité d'électricité

Q=I\,\Delta t

(en coulombs).

Q=n(e^{-})\times F

où

F\approx 96500\ \text{C/mol}

(constante de Faraday). La masse de métal transformé se déduit de

n(e^{-})

et des coefficients de la demi-équation.

Erreurs fréquentes

Inverser anode et cathode (l'anode est la borne − dans une pile qui débite).

Oublier la conversion des minutes/heures en secondes dans Q = I·Δt.

Prendre n(e⁻) = n(métal) sans tenir compte du nombre d'électrons de la demi-équation.

Négliger le rôle du pont salin (sans lui, la pile ne débite pas).

Exemple corrigé

Énoncé

Une pile débite un courant constant

I=50\ \text{mA}

pendant

\Delta t=2{,}0\ \text{h}

. L'électrode négative est en zinc (

\text{Zn}\to \text{Zn}^{2+}+2\,e^{-}

). Calculer la quantité d'électricité, la quantité d'électrons, puis la masse de zinc consommée (

M(\text{Zn})=65\ \text{g/mol}

F=96500\ \text{C/mol}

Correction

Quantité d'électricité.

Q=I\,\Delta t=0{,}050\times (2{,}0\times 3600)=0{,}050\times 7200=3{,}6\times 10^{2}\ \text{C}

Quantité d'électrons.

n(e^{-})=\dfrac{Q}{F}=\dfrac{360}{96500}\approx 3{,}7\times 10^{-3}\ \text{mol}

Zinc consommé. La demi-équation échange

2\,e^{-}

par atome :

n(\text{Zn})=\dfrac{n(e^{-})}{2}\approx 1{,}9\times 10^{-3}\ \text{mol}

Masse.

m(\text{Zn})=n(\text{Zn})\times M=1{,}9\times 10^{-3}\times 65\approx 0{,}12\ \text{g}

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3 exercices pour t'entraîner

Exercice 1

Facile

Une pile débite

I=0{,}10\ \text{A}

pendant

1{,}0\ \text{h}

. Calculer la quantité d'électricité

Q

Voir la correction

Q=I\,\Delta t=0{,}10\times 3600=3{,}6\times 10^{2}\ \text{C}

Exercice 2

Moyen

Une quantité d'électricité

Q=480\ \text{C}

a traversé une pile. Calculer la quantité d'électrons échangés (

F=96500\ \text{C/mol}

Voir la correction

n(e^{-})=\dfrac{Q}{F}=\dfrac{480}{96500}\approx 5{,}0\times 10^{-3}\ \text{mol}

Exercice 3

Difficile

À la cathode d'une pile, il se dépose du cuivre selon

\text{Cu}^{2+}+2\,e^{-}\to \text{Cu}

. La pile débite

I=0{,}20\ \text{A}

pendant

30\ \text{min}

. Calculer la masse de cuivre déposée (

M(\text{Cu})=63{,}5\ \text{g/mol}

F=96500\ \text{C/mol}

Voir la correction

Q=I\,\Delta t=0{,}20\times (30\times 60)=0{,}20\times 1800=3{,}6\times 10^{2}\ \text{C}

n(e^{-})=\dfrac{360}{96500}\approx 3{,}73\times 10^{-3}\ \text{mol}

n(\text{Cu})=\dfrac{n(e^{-})}{2}\approx 1{,}87\times 10^{-3}\ \text{mol}

m(\text{Cu})=1{,}87\times 10^{-3}\times 63{,}5\approx 0{,}12\ \text{g}

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Questions fréquentes

Comment repérer l'anode et la cathode d'une pile ?

L'anode est l'électrode où se produit l'oxydation : c'est la borne négative d'une pile qui débite. La cathode est le siège de la réduction : borne positive.

À quoi sert le pont salin ?

À fermer le circuit à l'intérieur de la pile et à maintenir l'électroneutralité de chaque demi-pile en laissant migrer ses ions.

Comment relier le courant débité à la quantité de matière transformée ?

Q = I·Δt = n(e⁻)·F. On déduit n(e⁻), puis la quantité de métal via le nombre d'électrons de la demi-équation, puis la masse.