Utilisation de l'évolution spontanée d'un système - Utilisation : la pile

I-                    Utilisation : la pile

    1-      Constitution :

Pour comprendre comment fonctionne une pile, il est tout d’abord nécessaire de définir une demi-pile. On appelle ainsi un système chimique dans lequel se trouvent les formes oxydée et réduite d’un certain élément (par exemple : une lame de cuivre plongée dans une solution aqueuse de sulfate de cuivre). Une demi-pile toute seule ne donne en général lieu à aucune réaction chimique (ceci peut arriver mais reste exceptionnel et complexe à expliquer).

Prenons alors deux demis-piles et relions les solutions par un pont salin : il s’agit d’un gel contenant des ions mobiles, et qui permet d’assurer un éventuel passage de courant électrique entre les deux compartiments (on évite un vrai fil électrique, dont le métal risquerait de réagir avec les solutions utilisées). On relie par ailleurs les plaques métalliques par un fil. La réaction s’opère alors de la même façon que dans le cas où les réactifs étaient mélangés.

L’une des deux demi-piles est donc le siège d’une réaction d’oxydation. Dans le cas d’une demi-pile constituée d’un métal et d’une solution aqueuse de cations de ce métal, l’oxydation (perte d’électrons) consiste donc en une désagrégation du métal solide, et une augmentation de la concentration de la solution en ions métalliques. La demi-pile où se produit d’oxydation et appelée anode de la pile. A l’inverse, dans l’autre demi-pile se produit la réduction. Dans le cas métal/cation métallique, il s’agit donc du passage de la forme ion solvate à celle de métal solide. Cette autre électrode est appelée cathode.

Il existe divers moyens mnémotechnique pour retenir ce fait ; le plus courant est la coïncidence suivante :

·         réduCtion à la Cathode ;

·         OxydAtion à l’anode ;

   2-      Fonctionnement :

Reprenons l’exemple de la réaction entre les ions cuivre II et le fer. Les demi-piles seront respectivement : une plaque de cuivre plongé dans une solution aqueuse de sulfate de cuivre d’une part, et une plaque de fer plongée dans une solution aqueuse de chlorure de fer d’autre part. On observe alors la même chose que dans le cas où les réactifs ont été mélangés (fig-3).

·         Dans la demi-pile de cuivre, le bleu de la solution pâlit et on observe des dépôts de cuivre supplémentaire sur la plaque : des ions cuivre sont consommés, du cuivre métallique (solide, non solvaté) se forme ;

·         Dans la demi-pile de fer, le vert de la solution devient plus foncé, et la plaque de fer se désagrège : le fer métallique est consommé, des ions fer II (de couleur verte lorsque solvatés) se forment.

Ainsi, l’évolution des quantités de matière est exactement la même que si les réactifs étaient mélangés. La différence essentielle est que les transformations de Cu²⁺_(aq) en Cu_(s) et de Fe_(s) en Fe²⁺_(aq) se font dans des compartiments séparés, et surtout, que les électrons requis par l’élément cuivre, et fournis par l’élément fer, transitent par un circuit extérieur où nous pouvons les intercepter.

    3-      Interprétation :

Il importe de garder à l’esprit que si cette réaction s’opère, et s’opère bien, c’est parce que sa constante de réaction est élevée. On met donc vis-à-vis deux espèces qui ne supportent pas d’être ensemble sans réagir. Mais si nous les laissons réagir au contact l’une de l’autre, tout le transfert d’électrons qu’elles vont opérer  se fera directement dans la solution, et malheureusement, nous ne pourrons rien en tirer d’utile.

On pourrait comparer ce qu’il se passe à la mise en contact de deux récipients remplis d’eau sur des hauteurs différents : celui dans lequel l’eau est au plus haut va se vider dans celui où l’eau est le plus basse. Si les récipients sont accolés, nous ne pourrons rien tirer de cet écoulement, qui se fera trop brutalement pour que nous puissions l’utiliser. Mais si nous faisons emprunter à l’eau un chemin précis, un petit canal par exemple, alors il nous sera possible d’interposer un moulin à eau. Nous transformerons ainsi l’énergie potentielle de pesanteur de l’eau en énergie cinétique de rotation du moulin à eau.

Le principe est le même pour la pile, à ceci près que nous mettons en vis-à-vis deux espèces entre lesquelles va forcément s’opérer un transfert d’électrons. Si nous pouvons canaliser ce transfert et l’intercepter, alors nous pouvons convertir l’énergie chimique à l’origine de ce mouvement de charge en énergie électrique, qui pourra elle-même être mise à profit sous d’autres formes d’énergie, par exemple mécanique (moteur), lumineuse (lampe), thermique (résistance chauffante)…