L'essentiel
- Un oxydant capte des électrons, un réducteur en cède ; un couple Ox/Red s'écrit Ox + n e⁻ = Red.
- Une pile réalise un transfert indirect d'électrons : oxydant et réducteur sont séparés, les électrons passent par le circuit extérieur.
- Une pile est formée de deux demi-piles (électrode + électrolyte) reliées par un pont salin.
- L'anode est toujours le siège d'une oxydation, la cathode le siège d'une réduction.
- Dans une pile, l'anode est la borne négative et la cathode la borne positive.
- Les électrons circulent de la borne - vers la borne + dans le circuit extérieur ; le courant va en sens inverse ; dans les solutions et le pont salin, ce sont les ions qui se déplacent.
- Le pont salin ferme le circuit et maintient l'électroneutralité des solutions.
- Une pile fonctionne parce que Qᵣ,i < K : la réaction est spontanée ; la pile est usée quand un réactif est épuisé ou quand Qᵣ = K.
- La tension à vide E se mesure à courant nul ; en fonctionnement, U = E - rI.
- La capacité d'une pile est la charge maximale qu'elle peut débiter : Qmax = n(e⁻)max × F, fixée par le réactif limitant.
- Une électrolyse est une transformation forcée par un générateur : Qᵣ s'éloigne de K.
- Dans un électrolyseur, l'anode est reliée au + du générateur, la cathode au -.
- Un accumulateur fonctionne en pile pendant la décharge et en électrolyseur pendant la charge.
- L'énergie électrique stockée vaut W = U × Q ; l'électrolyse de l'eau et la pile à combustible permettent de stocker l'énergie sous forme de dihydrogène.
Formules et définitions à connaître
| Grandeur | Formule | Unité | Condition |
|---|---|---|---|
| Constante de Faraday | F = Nₐ × e ≈ 9,65 × 10⁴ | C·mol⁻¹ | charge d'une mole d'électrons |
| Charge électrique | Q = I × Δt | C (A, s) | intensité constante |
| Charge et électrons | Q = n(e⁻) × F | C | toujours |
| Capacité | Qmax = z × xmax × F | C | z électrons par avancement unitaire |
| Ampère-heure | 1 A·h = 3 600 C | conversion | |
| Tension aux bornes | U = E - r × I | V | modèle linéaire de la pile |
| Énergie électrique | W = U × Q = P × Δt | J (1 W·h = 3 600 J) | tension constante |
| Volume de gaz | V = n × Vₘ | L | Vₘ ≈ 24,0 L·mol⁻¹ à 20 °C |
Pièges à éviter
- Retenir « anode = + » : c'est faux pour une pile, vrai seulement pour un électrolyseur.
- Faire passer des électrons dans le pont salin ou les solutions.
- Compter les électrons sans avoir cherché le réactif limitant, ou oublier le facteur z.
- Oublier de convertir les heures en secondes et les mA en A.
- Additionner les capacités de piles en série : seule la tension s'additionne.
- Confondre tension à vide E et tension en fonctionnement U.
Je me teste
1. Siège de l'oxydation ? → L'anode, dans tous les dispositifs.
2. Borne négative d'une pile Daniell ? → L'électrode de zinc.
3. Rôle du pont salin ? → Fermer le circuit et assurer l'électroneutralité.
4. Valeur de F ? → Environ 9,65 × 10⁴ C·mol⁻¹.
5. 1 A·h en coulombs ? → 3 600 C.
6. Où place-t-on l'objet à recouvrir lors d'une électrodéposition ? → À la cathode, reliée au - du générateur.
7. Que vaut n(Cu) si 0,020 mol d'électrons réduisent Cu²⁺ ? → 0,010 mol.
8. Pourquoi l'électrolyse est-elle forcée ? → Elle fait évoluer le système dans le sens opposé au sens spontané, grâce au générateur.
9. Que se passe-t-il pendant la charge d'un accumulateur ? → Une électrolyse qui reconstitue les réactifs.
10. Énergie d'une batterie de 3,7 V et 4,0 A·h ? → 14,8 W·h, soit environ 5,3 × 10⁴ J.