Sens d’évolution spontanée d’un système : Les piles

Oxydant et réducteur

Une réaction d'oxydo-réduction :

$\bf \color{cornflowerblue}{\underleftarrow{Oxydation}}$
$\color{black}{\mathrm Ox + \rm n~e^- = Red}$
$\color{black}{\bf Oxydant} \quad$ $\color{limegreen}{\bf \overrightarrow{Réduction}}$ $\quad\color{black}{\bf Réducteur}$

Un couple oxydant / réducteur : $\mathrm Ox / \rm Red$

Pile

Une pile est un générateur électrochimique (conversion d’énergie chimique en énergie électrique) dans lequel se déroule une réaction d’oxydoréduction entre deux couples redox. Il est constitué de deux parties (appelées demi-piles), reliées par un pont salin, comportant chacune un conducteur métallique (appelés électrode) en contact en milieu ionique (conducteur) appelés électrolyte. L’un des électrodes est la borne $\oplus$ et l’autre la borne $\ominus$.

Schéma de fonctionnement

Fonctionnement d’une pile

• À l’intérieur de la pile, le passage du courant électrique est assuré par des ions (porteurs de charges) : les cations se déplacent dans le sens du courant (vers la borne $\oplus$) et les anions se déplacent en sens inverse (vers la borne $\ominus$).
• À l’extérieurde la pile, le passage du courant électrique est assuré par des électrons (porteurs de charges) : ils se déplacent de la borne $\ominus$ vers la borne $\oplus$ (sens inverse du sens conventionnel du courant).
• Le pont salin assure la continuité électrique et la neutralité électrique entre les deux demi-piles.

Réactions aux électrodes

Les réactions aux électrodes se déduisent du sens de déplacement des électrons :

• Au pôle négatif de la pile, des électrons sont libérés selon la libertés selon la demi-réaction suivante (oxydation) :
  $\color{black}{\bf Red_2 \leftrightarrows Ox_2 + n_2~e^-}$
  (Le métal est consommé et des ions métalliques sont formés)
• Au pôle positif de la pile, les électrons qui arrivent sont captés selon la demi-réaction suivante (réduction) :
  $\color{black}{\bf Ox_1 + n_1~e^- \leftrightarrows Red_1}$
  (Des ions métalliques sont consommés et des atomes métalliques sont formés)

Capacité d’un pile

Une pile, débitant un courant d’intensité constante $\rm I$ pendant une durée $\rm \Delta t$, fait circuler une quantité d’électricité :

$\bf \color{limegreen}{Q_{\color{red}{(C)}} = I_{\color{red}{(A)}} \times \Delta t_{\color{red}{(s)}}}$

La capacité d’une pile est la quantité d'électricité maximale qu’elle peut fournir.

La quantité d’électricté $\rm Q$ mise en jeu au cours du fonctionnement d’un générateur électrochimique est égale à la valeur absolue de la charge totale des électrons échangés.

$\color{limegreen}{\rm Q_{(C)} =n(e^-)_{(mol)} \times N_{A(mol^{-1})} \times e_{(C)}}$

$\rm n(e^-)$ : Quantité d’électrons échangée $\rm (mol)$.
$\rm N_A$ : Constante d’Avogadro $\rm mol^{-1}$
$\rm e$ : Charge élémentaire $\rm = 1,60 \times 10^{-19}C$

Or, $\rm F$ constante de Faraday : $\rm \color{black}{F = N_{A{\color{red}{(mol^{-1})}}} \times e_{\color{red}{(C)}}}$.

Donc $\rm \color{limegreen}{Q_{(C)} = n(e^-)_{(mol)}\times F_{(C.mol^{-1})}}$