Écrire l’équation de la réaction qui modélise
l’action de $\ce{Cu^2+}$ sur $\ce{Fe^2+}$.
Couples d’oxydoréduction mis en jeu : $\ce{Cu^2+/Cu(s)}$ et $\ce{Fe^3+/Fe^2+}$
$\ce{Cu^2+ + 2e- = Cu}$
$\ce{Fe^2+ = Fe^3+ + 1 e-}$
$\ce{Cu^2+ +2Fe^2+ \rightarrow Cu(s) + 2Fe^3+}$
Les piles et les accumulateurs
sont des générateurs électrochimiques.
Piles et accus délivrent
un courant et une tension continus.
Ils ont une polarité :
une borne $+$ et une borne $-$
À la différence d’une pile,
un accumulateur est rechargeable.
La décharge est une réaction spontanée.
La charge est une réaction forcée
(par un générateur continu).
Une batterie est
une association d’accumulateurs.
Une pile à combustible utilise
un combustible comme réducteur ($\ce{H2}$, $\ce{CH4}$, …)
L’oxydant est souvent le dioxygène $\ce{O2}$.
Une pile fonctionne grâce
à une réaction d’oxydoréduction
mettant en œuvre 2 couples oxydant-réducteur
$(\text{Ox}_1/\text{Red}_1)$ et $(\text{Ox}_2/\text{Red}_2)$.
Une pile est composée de 2 demi-piles,
contenant chacune une électrode connectée
au circuit électrique extérieur,
la cathode et l’anode.
Chaque demi-pile contient un des couple.
Que cela soit lors de la charge ou de la décharge :
Mais le rôle des bornes change :
la borne $+$ est la cathode lors de la décharge
et l’anode lors de la charge.
la borne $-$ est l’anode lors de la décharge
et la cathode lors de la charge.
On parle d’électrolyse pour toute réaction chimique activée par un courant électrique.
L’opération de charge d’un accumulateur
est donc une électrolyse.
L’électrolyse est très utilisée dans l’industrie :
Combien d’électrons la pile peut-elle débiter ?
À la borne $+$ :
$\ce{Ox_1 + n_1 e- = Red_1}$
Pour chaque mole d’$\ce{Ox_1}$ consommée,
il y a $\ce{n_1}$ moles d’électrons échangées.
À la borne $-$ :
$\ce{Red_2 = Ox_2 + n_2 e-}$
Pour chaque mole de $\ce{Red_2}$ consommée,
il y a $\ce{n_2}$ moles d’électrons échangées.
Si on connaît la quantité de matière initiale
d’un des réactifs, on sait combien de moles d’électrons $n_{e^{-}}$ vont pouvoir circuler.
La quantité d’électricité $Q$ (capacité)
de la pile est alors donnée par :
Dans le cas d’une pile à combustible,
l’énergie chimique $E_{chim}$ contenue
est donnée par :
Et dans tous les cas,
l’énergie électrique $E_{elec}$ délivrée
est donnée par :
Rendement $\eta$ de la pile à combustible :
La tension nominale (en V) :
Les piles salines et alcalines ont une tension nominale de 1,5 V environ, celle des piles
au lithium peut dépasser les 3 V.
Les piles de tensions nominales plus élevées sont constituées d’une association en série
de cellules de 1,5 V.
Les batteries au plomb font 12 V (12,6 V en réalité).
Remarque :
Les piles salines et les piles alcalines
reposent sur l’oxydation du zinc
par le dioxyde de manganèse ($\ce{MnO2}$).
La différence réside dans l’électrolyte utilisé
(pour le pont salin).
Celui utilisé dans les piles alcalines (hydroxyde de potassium) permet de meilleures performances que celui des piles salines (chlorure d’ammonium).
Énergie disponible :
Durée $t$ de décharge (ou de charge)
dépend de l’intensité $I$ du courant débité :
L’énergie massique
ou densité massique d’énergie
généralement donnée
en watts-heures par kilogramme ($\pu{W * h * kg-1}$)
Plus elle est grande,
mieux c’est.
Lorsqu’un réactif est gazeux comme
dans une pile à combustible au dihydrogène,
l’énergie volumique ou densité
volumique d’énergie (en $\pu{W * h * L-1}$)
peut avoir son importance…
Enfin, le nombre de cycles de charges
et de décharges permet de prédire
la durée de vie de l’accumulateur ou la batterie.