Piles, électrolyse et énergie chimique

pile électrochimique — Une pile est constituée de deux électrodes de nature différente — deux métaux, par exemple — plongées dans un électrolyte, une solution qui conduit le courant parce qu'elle contient des ions. C'est la différence entre les deux électrodes qui crée la tension : deux lames du même métal ne produisent rien.

Une pile est un convertisseur d'énergie : elle transforme de l'énergie chimique, stockée dans ses réactifs, en énergie électrique transmise au circuit. Une partie part toujours en énergie thermique — la pile chauffe —, et c'est pourquoi le rendement n'atteint jamais 100 %.

électrode, borne + et borne − — Les deux lames métalliques sont les électrodes de la pile. Celle qui libère les électrons est la borne négative ; celle qui les reçoit est la borne positive. Le mot « négatif » ne signifie donc pas « moins important » : c'est là que part le courant d'électrons.

Dans le circuit extérieur, les électrons circulent de la borne − vers la borne +. Le courant électrique, lui, est conventionnellement orienté de la borne + vers la borne −. Les deux sens sont opposés, et les deux sont justes : la convention a été fixée avant la découverte de l'électron, et on ne l'a jamais changée.

oxydation et réduction — Une oxydation est une perte d'électrons ; une réduction est un gain d'électrons. Les deux ne vont jamais l'une sans l'autre : les électrons perdus d'un côté sont exactement ceux qui sont gagnés de l'autre. Dans une pile, l'oxydation se produit à la borne − et la réduction à la borne +.

Dans une pile zinc-cuivre, écrire ce qui se passe à chaque électrode et prévoir l'évolution des deux lames.

1. À la lame de zinc, borne négative : chaque atome de zinc perd deux électrons et passe en solution sous forme d'ion.$Zn⟶Z{n}^{2+}+2e^{-}$C'est une oxydation : le zinc perd des électrons.
2. À la lame de cuivre, borne positive : des ions cuivre présents dans la solution captent ces électrons et se déposent sous forme de métal.$C{u}^{2+}+2e^{-}⟶Cu$C'est une réduction : le cuivre gagne des électrons.
3. Conséquence observable, et c'est elle que le brevet demande : la lame de zinc maigrit, la lame de cuivre s'épaissit.

le zinc s'oxyde et se dissout, le cuivre se réduit et se dépose

électrolyse — Une électrolyse est une transformation chimique imposée par un générateur. Le sens de conversion est inversé : l'énergie électrique fournie provoque une transformation chimique qui ne se produirait pas spontanément. C'est l'exact contraire d'une pile, avec le même matériel — deux électrodes et un électrolyte.

On électrolyse de l'eau salée. Écrire l'équation de la transformation et prévoir les volumes recueillis.

1. L'eau se décompose en dihydrogène et en dioxygène.$2H_{2}O⟶2H_2+O_2$
2. Le contrôle des atomes : 4 hydrogènes de chaque côté, 2 oxygènes de chaque côté.$2\times 2=4$
3. Les coefficients donnent directement les volumes de gaz recueillis : deux fois plus de dihydrogène que de dioxygène.

2 H₂O → 2 H₂ + O₂, dans le rapport de volumes 2 pour 1

Distinguer une pile d'une électrolyse

1. Chercher s'il y a un générateur dans le circuit, en plus des électrodes.
2. Sans générateur, le dispositif produit le courant : c'est une pile, et la conversion va du chimique vers l'électrique.
3. Avec un générateur qui impose le courant, le dispositif consomme de l'électricité : c'est une électrolyse, et la conversion va de l'électrique vers le chimique.
4. Nommer la conversion dans la conclusion, dans le bon sens — c'est ce qui est évalué, pas le vocabulaire.

pile, accumulateur, batterie — Une pile n'est utilisable qu'une fois : sa transformation est irréversible. Un accumulateur peut être rechargé, parce que sa transformation se fait dans les deux sens. Une batterie est un assemblage de plusieurs piles ou accumulateurs, montés pour additionner leurs tensions ou leurs capacités.

La puissance électrique fournie est le produit de la tension par l'intensité ; elle s'exprime en watts. L'énergie transférée est le produit de cette puissance par la durée, en joules si la durée est en secondes.

Une pile plate de 4,5 V alimente une lampe parcourue par un courant de 0,2 A pendant 1 h. Calculer l'énergie fournie.

1. On calcule d'abord la puissance, en volts et en ampères :$4,5\times 0,2=0,9$
2. La puissance vaut 0,9 W. On convertit la durée en secondes, sans quoi le résultat ne sera pas en joules :$1\times 3600=3600$
3. On multiplie enfin la puissance par la durée :$0,9\times 3600=3240$

3 240 J, soit 0,9 Wh