Chimie · Prépa concours post-bac — ENSA & ENSAM

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 chimique qui transforme l'énergie chimique en énergie électrique par une réaction d'oxydoréduction spontanée.
Constitution : Deux demi-piles reliées par un pont salin. Chaque demi-pile contient un couple oxydant/réducteur.
Polarité :
- Anode (pôle -) : siège de l'oxydation ( $Red_1 \rightarrow Ox_1 + n e^-$ ).
- Cathode (pôle +) : siège de la réduction ( $Ox_2 + n e^- \rightarrow Red_2$ ).
Quotient de réaction : Pour une réaction $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$ , $Q_r = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}$ .
Critère d'évolution : Si $Q_r < K$ , la réaction évolue dans le sens direct. Si $Q_r > K$ , elle évolue dans le sens inverse.
Capacité : $Q_{max} = n(e^-) \cdot F = I \cdot \Delta t_{max}$ , avec $F = 96500 \, C \cdot mol^{-1}$ .

Méthodes à maîtriser

Déterminer la polarité : Identifier le réducteur le plus fort (il s'oxyde à l'anode).
Schéma conventionnel : $(-)$ $Red_1 | Ox_1 || Ox_2 | Red_2$ $(+)$ .
Calculer $Q_{max}$ : Utiliser le tableau d'avancement pour trouver $n(e^-)$ en fonction de $x_{max}$ .

Exemples corrigés

Pile Daniell : $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$ $Z n (s) + C u^{2 +} (a q) \to Z n^{2 +} (a q) + C u (s)$ .
- Anode : $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-$ .
- Cathode : $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$ .
- $Q_r = \frac{[Zn^{2+}]}{[Cu^{2+}]}$ .

Erreurs fréquentes

Confondre le sens du courant (de + vers -) et le sens des électrons (de - vers +).
Oublier que les solides ne figurent pas dans l'expression de $Q_r$ .
Ne pas convertir le temps en secondes pour calculer la capacité.

L'essentiel du cours

Définition : Une pile est un système chimique qui transforme l'énergie chimique en énergie électrique par une réaction d'oxydoréduction spontanée.
Constitution : Deux demi-piles reliées par un pont salin. Chaque demi-pile contient un couple oxydant/réducteur.
Polarité :
- Anode (pôle -) : siège de l'oxydation ($Red_1 \rightarrow Ox_1 + n e^-$).
- Cathode (pôle +) : siège de la réduction ($Ox_2 + n e^- \rightarrow Red_2$).
Quotient de réaction : Pour une réaction $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$, $Q_r = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}$.
Critère d'évolution : Si $Q_r < K$, la réaction évolue dans le sens direct. Si $Q_r > K$, elle évolue dans le sens inverse.
Capacité : $Q_{max} = n(e^-) \cdot F = I \cdot \Delta t_{max}$, avec $F = 96500 , C \cdot mol^{-1}$.

Méthodes à maîtriser

Déterminer la polarité : Identifier le réducteur le plus fort (il s'oxyde à l'anode).
Schéma conventionnel : $(-)$ $Red_1 | Ox_1 || Ox_2 | Red_2$ $(+)$.
Calculer $Q_{max}$ : Utiliser le tableau d'avancement pour trouver $n(e^-)$ en fonction de $x_{max}$.

Exemples corrigés

Pile Daniell : $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$.
- Anode : $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-$.
- Cathode : $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$.
- $Q_r = \frac{[Zn^{2+}]}{[Cu^{2+}]}$.

Erreurs fréquentes

Confondre le sens du courant (de + vers -) et le sens des électrons (de - vers +).
Oublier que les solides ne figurent pas dans l'expression de $Q_r$.
Ne pas convertir le temps en secondes pour calculer la capacité.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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🎯 Transformation spontanée dans les piles et accumulation d'énergie

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Le pôle positif d'une pile est :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que le volume des solutions change la valeur de Qr ?

Oui, car $Q_r$ dépend des concentrations $[C] = n/V$ . Si le volume change, la concentration change, donc $Q_r$ change.

💡 À retenir : Sois vigilant avec les dilutions ou les mélanges.

Oui, car $Q_r$ dépend des concentrations $[C] = n/V$. Si le volume change, la concentration change, donc $Q_r$ change.

💡 À retenir : Sois vigilant avec les dilutions ou les mélanges.

Comment savoir quel métal est l'anode ?

Regarde les couples oxydant/réducteur donnés.
Le métal qui a le plus fort pouvoir réducteur (celui qui "veut" perdre ses électrons) sera l'anode.
En général, on compare les potentiels standard ou on regarde le sens de la réaction spontanée.

💡 À retenir : L'anode est toujours le siège de l'oxydation (perte d'électrons).

Kifach n7seb Q{max} ila 3tani l'intensité I w lwa9t Delta t ?

Applique la relation $Q_{max} = I \times \Delta t$ .
Attention : $I$ doit être en Ampères (A) et $\Delta t$ en secondes (s).
$Q_{max}$ sera en Coulombs (C).

💡 À retenir : $Q_{max} = n(e^-) \cdot F$ , donc $n(e^-) = \frac{I \cdot \Delta t}{F}$ .

Applique la relation $Q_{max} = I \times \Delta t$.
Attention : $I$ doit être en Ampères (A) et $\Delta t$ en secondes (s).
$Q_{max}$ sera en Coulombs (C).

💡 À retenir : $Q_{max} = n(e^-) \cdot F$, donc $n(e^-) = \frac{I \cdot \Delta t}{F}$.

Est-ce que le pont salin est obligatoire ?

Oui, il est indispensable pour deux raisons :

Fermer le circuit électrique pour permettre le passage du courant.
Assurer l'électroneutralité des solutions en laissant migrer les ions.

💡 À retenir : Sans pont salin, la réaction s'arrête presque instantanément.

Chno hiya l'utilité dial Qr f l'examen ?

$Q_r$ sert à déterminer le sens d'évolution spontanée du système.

Tu calcules $Q_{r,i}$ à l'état initial.
Tu compares avec $K$ (donnée).
Si $Q_{r,i} < K$ , le système évolue dans le sens direct.

💡 À retenir : $Q_r$ permet de prédire si la pile va fonctionner ou non.

$Q_r$ sert à déterminer le sens d'évolution spontanée du système.

Tu calcules $Q_{r,i}$ à l'état initial.
Tu compares avec $K$ (donnée).
Si $Q_{r,i} < K$, le système évolue dans le sens direct.

💡 À retenir : $Q_r$ permet de prédire si la pile va fonctionner ou non.

Est-ce qu'on peut recharger toutes les piles ?

Non, seules les piles appelées "accumulateurs" (comme dans les téléphones) peuvent être rechargées. Les piles classiques (salines ou alcalines) ne sont pas conçues pour inverser la réaction chimique.

💡 À retenir : La recharge consiste à imposer un courant inverse pour reformer les réactifs.

Kifach n3ref l'électrode li kat-doub ?

L'électrode qui "fond" ou qui s'amincit est l'anode. C'est là que le métal solide $M$ se transforme en ions $M^{n+}$ qui passent dans la solution.

💡 À retenir : À l'anode, le métal solide disparaît ( $M \rightarrow M^{n+} + ne^-$ ).

L'électrode qui "fond" ou qui s'amincit est l'anode. C'est là que le métal solide $M$ se transforme en ions $M^{n+}$ qui passent dans la solution.

💡 À retenir : À l'anode, le métal solide disparaît ($M \rightarrow M^{n+} + ne^-$).

Pourquoi la tension d'une pile diminue avec le temps ?

Parce que les concentrations des réactifs diminuent au fur et à mesure que la réaction progresse. Selon la loi de Nernst (à vérifier par le professeur si au programme), la tension dépend des concentrations.

💡 À retenir : Quand les réactifs s'épuisent, la pile s'use.

Est-ce que les ions du pont salin participent à la réaction ?

Non, ce sont des ions spectateurs. Ils servent uniquement à maintenir l'équilibre des charges dans les deux compartiments.

💡 À retenir : Le pont salin ne doit pas réagir chimiquement avec les solutions.

Comment écrire l'équation de fonctionnement d'une pile ?

Écris la demi-équation d'oxydation à l'anode.
Écris la demi-équation de réduction à la cathode.
Additionne les deux en multipliant par des coefficients pour que le nombre d'électrons soit le même.

💡 À retenir : Les électrons n'apparaissent jamais dans l'équation bilan.

Est-ce que K change si on change la température ?

Oui, la constante d'équilibre $K$ dépend uniquement de la température.

💡 À retenir : Si la température change, $K$ change.

Oui, la constante d'équilibre $K$ dépend uniquement de la température.

💡 À retenir : Si la température change, $K$ change.

Pourquoi on utilise F (Faraday) ?

$F$ représente la charge électrique d'une mole d'électrons ( $96500 \, C/mol$ ). C'est le facteur de conversion entre la quantité de matière d'électrons et la charge électrique.

💡 À retenir : $1 F = N_A \times e$ .

$F$ représente la charge électrique d'une mole d'électrons ($96500 , C/mol$). C'est le facteur de conversion entre la quantité de matière d'électrons et la charge électrique.

💡 À retenir : $1 F = N_A \times e$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On réalise une pile avec les couples $Zn^{2+}/Zn$ et $Cu^{2+}/Cu$ . Données : $[Zn^{2+}]_i = 0,1 \, mol/L$ , $[Cu^{2+}]_i = 0,1 \, mol/L$ . $K = 10^{37}$ .

Écrire l'équation de la réaction spontanée.
Calculer $Q_{r,i}$ .
Justifier le sens d'évolution.

Exercice 1

On réalise une pile avec les couples $Zn^{2+}/Zn$ et $Cu^{2+}/Cu$. Données : $[Zn^{2+}]_i = 0,1 , mol/L$, $[Cu^{2+}]_i = 0,1 , mol/L$. $K = 10^{37}$.

Écrire l'équation de la réaction spontanée.
Calculer $Q_{r,i}$.
Justifier le sens d'évolution.

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Une pile débite un courant $I = 0,05 \, A$ pendant 2 heures.

Calculer la charge totale $Q$ débitée.
En déduire la quantité de matière d'électrons $n(e^-)$ échangée.

Exercice 2

Une pile débite un courant $I = 0,05 , A$ pendant 2 heures.

Calculer la charge totale $Q$ débitée.
En déduire la quantité de matière d'électrons $n(e^-)$ échangée.

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 3

Soit une pile de capacité $Q_{max} = 9650 \, C$ .

Quelle est la quantité maximale d'électrons que peut fournir cette pile ?
Si la réaction est $M + Ag^+ \rightarrow M^+ + Ag$ , quelle est la masse maximale de $Ag$ formée ? ( $M(Ag) = 108 \, g/mol$ ).

Exercice 3

Soit une pile de capacité $Q_{max} = 9650 , C$.

Quelle est la quantité maximale d'électrons que peut fournir cette pile ?
Si la réaction est $M + Ag^+ \rightarrow M^+ + Ag$, quelle est la masse maximale de $Ag$ formée ? ($M(Ag) = 108 , g/mol$).

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