Chimie · Prépa concours post-bac — ISPITS (paramédical)

Transformation spontanée dans les piles et accumulation d'énergie

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Définition : Une pile est un système qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction d'oxydoréduction spontanée.
Constitution : Deux demi-piles reliées par un pont salin. Chaque demi-pile contient une électrode métallique plongeant dans une solution contenant ses ions.
Polarité :
- Anode (pôle -) : siège de l'oxydation : $Red_1 \rightarrow Ox_1 + n_1e^-$
- Cathode (pôle +) : siège de la réduction : $Ox_2 + n_2e^- \rightarrow Red_2$
Équation bilan : $n_2 Red_1 + n_1 Ox_2 \rightarrow n_2 Ox_1 + n_1 Red_2$
Capacité ( $Q_{max}$ ) : $Q_{max} = I \cdot \Delta t = n(e^-) \cdot F$ , avec $F \approx 96500 \, C \cdot mol^{-1}$ .

Méthodes à maîtriser

Schéma conventionnel : $(-)$ $M_1 | M_1^{n+} || M_2^{m+} | M_2$ $(+)$ .
Calcul de la f.é.m ( $E$ ) : $E = V_+ - V_- = U_{cathode} - U_{anode}$ .
Détermination de la durée de vie : Utiliser le tableau d'avancement pour trouver $n(e^-)_{max}$ à partir du réactif limitant.

Exemples corrigés

Pile Daniell : $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$ .
À l'anode : $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-$ . À la cathode : $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$ .

Erreurs fréquentes

Confondre le sens du courant ( $I$ : du $+$ vers le $-$ ) et le sens des électrons (du $-$ vers le $+$ ).
Oublier que le pont salin assure la neutralité électrique et non le passage des électrons.
Utiliser la constante d'équilibre $K$ au lieu du quotient $Q_r$ pour prévoir l'évolution.

L'essentiel du cours

Définition : Une pile est un système qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction d'oxydoréduction spontanée.
Constitution : Deux demi-piles reliées par un pont salin. Chaque demi-pile contient une électrode métallique plongeant dans une solution contenant ses ions.
Polarité :
- Anode (pôle -) : siège de l'oxydation : $Red_1 \rightarrow Ox_1 + n_1e^-$
- Cathode (pôle +) : siège de la réduction : $Ox_2 + n_2e^- \rightarrow Red_2$
Équation bilan : $n_2 Red_1 + n_1 Ox_2 \rightarrow n_2 Ox_1 + n_1 Red_2$
Capacité ($Q_{max}$) : $Q_{max} = I \cdot \Delta t = n(e^-) \cdot F$, avec $F \approx 96500 , C \cdot mol^{-1}$.

Méthodes à maîtriser

Schéma conventionnel : $(-)$ $M_1 | M_1^{n+} || M_2^{m+} | M_2$ $(+)$.
Calcul de la f.é.m ($E$) : $E = V_+ - V_- = U_{cathode} - U_{anode}$.
Détermination de la durée de vie : Utiliser le tableau d'avancement pour trouver $n(e^-)_{max}$ à partir du réactif limitant.

Exemples corrigés

Pile Daniell : $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$.
À l'anode : $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-$. À la cathode : $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$.

Erreurs fréquentes

Confondre le sens du courant ($I$ : du $+$ vers le $-$) et le sens des électrons (du $-$ vers le $+$).
Oublier que le pont salin assure la neutralité électrique et non le passage des électrons.
Utiliser la constante d'équilibre $K$ au lieu du quotient $Q_r$ pour prévoir l'évolution.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

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🎯 Transformation spontanée dans les piles et accumulation d'énergie

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Dans une pile, le pont salin sert à :

❓ Questions fréquentes

Comment savoir quel métal est l'anode et lequel est la cathode ?

Regarde les potentiels standard de réduction $E^0$ si donnés.
Le métal avec le $E^0$ le plus élevé est la cathode (pôle +).
Le métal avec le $E^0$ le plus faible est l'anode (pôle -).

💡 À retenir : Le plus "noble" (plus grand $E^0$ ) attire les électrons, donc il est la cathode.

Regarde les potentiels standard de réduction $E^0$ si donnés.
Le métal avec le $E^0$ le plus élevé est la cathode (pôle +).
Le métal avec le $E^0$ le plus faible est l'anode (pôle -).

💡 À retenir : Le plus "noble" (plus grand $E^0$) attire les électrons, donc il est la cathode.

Kifach n7seb la capacité dial l'pile Q{max} ?

Écris l'équation de la réaction.
Fais un tableau d'avancement pour trouver la quantité de matière du réactif limitant consommée ( $n_{lim}$ ).
Déduis la quantité d'électrons échangés $n(e^-) = x_{max} \cdot n_{e^-}$ .
Applique $Q_{max} = n(e^-) \cdot F$ .

💡 À retenir : $F$ est la constante de Faraday, toujours égale à $96500 \, C \cdot mol^{-1}$ .

Écris l'équation de la réaction.
Fais un tableau d'avancement pour trouver la quantité de matière du réactif limitant consommée ($n_{lim}$).
Déduis la quantité d'électrons échangés $n(e^-) = x_{max} \cdot n_{e^-}$.
Applique $Q_{max} = n(e^-) \cdot F$.

💡 À retenir : $F$ est la constante de Faraday, toujours égale à $96500 , C \cdot mol^{-1}$.

Chno hiya l'fayda dial l'pont salin f'l'pile ?

Il ferme le circuit électrique.
Il permet le déplacement des ions pour maintenir la neutralité électrique des solutions dans chaque demi-pile.

💡 À retenir : Sans pont salin, la réaction s'arrête instantanément car les solutions se chargent électriquement.

Est-ce que la f.é.m d'une pile est constante au cours du temps ?

Non. La f.é.m diminue au fur et à mesure que les concentrations des réactifs diminuent et que celles des produits augmentent, jusqu'à ce que $E = 0$ (état d'équilibre).

💡 À retenir : Une pile "usée" est une pile dont le système a atteint l'état d'équilibre.

Non. La f.é.m diminue au fur et à mesure que les concentrations des réactifs diminuent et que celles des produits augmentent, jusqu'à ce que $E = 0$ (état d'équilibre).

💡 À retenir : Une pile "usée" est une pile dont le système a atteint l'état d'équilibre.

Kifach n3ref wach tfa3ol spontané wla la ?

Calcule le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$ .
Compare-le avec la constante d'équilibre $K$ .
Si $Q_{r,i} < K$ , le système évolue spontanément dans le sens direct.

💡 À retenir : Le critère d'évolution spontanée est toujours basé sur la comparaison $Q_r$ et $K$ .

Calcule le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$.
Compare-le avec la constante d'équilibre $K$.
Si $Q_{r,i} < K$, le système évolue spontanément dans le sens direct.

💡 À retenir : Le critère d'évolution spontanée est toujours basé sur la comparaison $Q_r$ et $K$.

Pourquoi on dit que l'anode est le pôle négatif ?

Parce que c'est là que les électrons sont libérés par l'oxydation du métal. Ils s'accumulent sur l'électrode avant de partir dans le circuit extérieur.

💡 À retenir : Anode = Oxydation = Pôle (-).

Est-ce que la masse des électrodes change ?

Oui. À l'anode, le métal s'oxyde (se dissout), donc sa masse diminue. À la cathode, les ions se réduisent en métal solide, donc la masse augmente.

💡 À retenir : Anode = perte de masse ; Cathode = gain de masse.

Chno l'far9 bin pile w accumulateur ?

La pile est un système à usage unique (réaction non réversible facilement). L'accumulateur peut être rechargé en imposant un courant inverse pour inverser la réaction chimique.

💡 À retenir : La recharge d'un accumulateur est une transformation forcée.

Comment écrire le schéma conventionnel d'une pile ?

On place le pôle (-) à gauche et le pôle (+) à droite.
On utilise une double barre $||$ pour le pont salin.
On écrit les couples sous la forme : Métal | Ion || Ion | Métal.

💡 À retenir : Toujours respecter l'ordre : Anode à gauche, Cathode à droite.

On place le pôle (-) à gauche et le pôle (+) à droite.
On utilise une double barre $||$ pour le pont salin.
On écrit les couples sous la forme : Métal | Ion || Ion | Métal.

💡 À retenir : Toujours respecter l'ordre : Anode à gauche, Cathode à droite.

Est-ce que le volume des solutions change ?

Théoriquement, le volume reste constant si on néglige l'évaporation et les variations dues aux réactions, mais les concentrations changent.

💡 À retenir : On considère souvent le volume constant pour les calculs de concentration.

Est-ce que la température influence la pile ?

Oui, la f.é.m dépend de la température. Cependant, au niveau du Bac, on considère généralement les conditions standard (25°C).

💡 À retenir : La constante d'équilibre $K$ dépend aussi de la température.

Oui, la f.é.m dépend de la température. Cependant, au niveau du Bac, on considère généralement les conditions standard (25°C).

💡 À retenir : La constante d'équilibre $K$ dépend aussi de la température.

Est-ce que la pile s'arrête quand le réactif limitant est épuisé ?

Oui, dès qu'un des réactifs est totalement consommé, la réaction s'arrête et la f.é.m devient nulle.

💡 À retenir : La durée de vie dépend de la quantité initiale du réactif limitant.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On réalise une pile avec une lame de Zinc dans une solution de $Zn^{2+}$ ( $1,0 \, mol/L$ ) et une lame de Cuivre dans une solution de $Cu^{2+}$ ( $1,0 \, mol/L$ ).

Écrire les demi-équations aux électrodes.
Écrire l'équation bilan.
Calculer la f.é.m standard sachant $E^0(Cu^{2+}/Cu) = 0,34 \, V$ et $E^0(Zn^{2+}/Zn) = -0,76 \, V$ .

Exercice 1

On réalise une pile avec une lame de Zinc dans une solution de $Zn^{2+}$ ($1,0 , mol/L$) et une lame de Cuivre dans une solution de $Cu^{2+}$ ($1,0 , mol/L$).

Écrire les demi-équations aux électrodes.
Écrire l'équation bilan.
Calculer la f.é.m standard sachant $E^0(Cu^{2+}/Cu) = 0,34 , V$ et $E^0(Zn^{2+}/Zn) = -0,76 , V$.

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Une pile débite un courant $I = 0,1 \, A$ pendant 1 heure. Calculer la quantité de matière d'électrons échangés.

Exercice 2

Une pile débite un courant $I = 0,1 , A$ pendant 1 heure. Calculer la quantité de matière d'électrons échangés.

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Exercice 3

Soit une pile de capacité $Q_{max} = 9650 \, C$ . Si on utilise une lame de Zinc de masse $m = 10 \, g$ , est-ce que le Zinc est le réactif limitant ? ( $M(Zn) = 65,4 \, g/mol$ ).

Exercice 3

Soit une pile de capacité $Q_{max} = 9650 , C$. Si on utilise une lame de Zinc de masse $m = 10 , g$, est-ce que le Zinc est le réactif limitant ? ($M(Zn) = 65,4 , g/mol$).

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