Utilisation de l'évolution spontanée d'un système - Performance d’une pile

I-                    Performance d’une pile :

    1-      Caractéristiques d’une pile :

Il existe un très grand nombre de type de piles : depuis celle, encombrante et peu performante, que l’on peut fabriquer en travaux pratiques, jusqu’aux piles au lithium, en passant par les piles alcalines, les piles à combustibles,… Notre but n’est pas ici d’en dresser la liste exhaustive, mais de donner une idée de leurs performances.

   2-      Quantité d’électricité débitée :

Il s’agit ici de voir comment déterminer le nombre de coulombs que peut débiter une pile avant d’être déchargée. Nous avons vu que les équilibres d’oxydoréduction sont tellement déplacés que les réactions peuvent être considérées comme totales, et donc que l’avancement final peut être considéré comme égal à l’avancement maximal.

On détermine alors l’avancement maximal autorisé par la réaction d’oxydoréduction envisagée. On peut déduire de cet avancement la quantité de matière d’électrons qui sera échangée pour que les réactifs soient (presque) totalement consommés. Enfin, nous pouvons en déduire la quantité d’électricité véhiculée par cet ensemble d’électrons.

On utilise souvent à cette fin de Faraday, qui est la quantité d’électricité contenue dans une mole d’électrons, soit :

N_A = 6,02.10²³ mol^-1 x 1,6.10^-19 C = 96440 C.mol^-1

Que l’on note : 1F = 96 440 C.mol^-1

Ainsi, par exemple, dans le cas de la pile cuivre/Fer envisagée plus haut, si nous prenons une solution contenant 0,1 mol d’ion Cu²⁺ et une plaque de fer contenant 0,1 mol de fer solide, nous allons voir échangés 0,2 mol d’électrons (chaque échange fait transiter 2 électrons), nous en déduisons que la quantité d’électricité accessible dans cette pile est :

0,2 mol x 96 440 C.mol^-1 = 19 300 C

    3-    Force électromotrice :

La force électromotrice d’une pile est la tension qui existe entre ses électrodes. Sa valeur dépend de plusieurs paramètres :

·         La nature du couple oxydant/réducteur mis en jeu dans chacune des deux demi-piles ;

·         Les concentrations des espèces en solution ;

·         Le Ph ;

·         La température ;

·         Le nombre d’électrons engagés dans les échanges.

   4-     La durée de vie :

Une pile dure tant qu’elle n’a pas atteint l’équilibre chimique. Lorsqu’elle est déchargée, elle a atteint cet équilibre. Il n’y a donc plus d’échanges à l’échelle macroscopique, donc plus d’échanges d’électrons entre les demi-piles. Il en résulte :

·         Une intensité électrique nulle ;

·         Une différence de potentiel nulle.

La durée de vie d’une pile dépend bien sûr des quantités de matières de réactifs qu’elle contient : en effet, plus celles-ci seront importantes, plus la quantité d’électricité le sera. Mais il reste à voir en combien de temps cette quantité d’électricité va être échangée.

Ceci est lié à la cinétique de la réaction : le fait qu’une réaction soit très favorisée à droite, c'est-à-dire l’équilibre. Le milieu réactionnel contienne essentiellement des produits, ne préjuge pas de la vitesse de formation de ces produits. On prendra donc garde au fait qu’une plus grande quantité d’électricité ne garantit pas forcément une durée de vie plus élevée. De même, une grande différence de potentiel, qui témoigne d’une réaction très favorisée vers la droite, ne présume pas de la vitesse à laquelle va se faire la réaction, donc de l’intensité que pourra débiter la pile.