Fiche de cours : Piles et électrolyse — Terminale spécialité physique-chimie

Oxydant, réducteur, couple

Un oxydant capte des électrons ; un réducteur en cède. Un couple Ox / Red s'écrit Ox + n e⁻ = Red.

L'oxydation est une perte d'électrons, Red → Ox + n e⁻ ; la réduction est un gain d'électrons, Ox + n e⁻ → Red. Oxydants usuels : O₂, Cl₂, eau de Javel. Réducteurs usuels : métaux (Li, Zn, Fe…), H₂, acide ascorbique.

Écrire une demi-équation électronique

Une demi-équation s'équilibre en quatre temps : l'élément autre que O et H d'abord, puis O avec des molécules H₂O, puis H avec des ions H⁺, enfin les charges avec des électrons e⁻.

Exemple de la fiche : MnO₄⁻(aq) + 8 H⁺(aq) + 5 e⁻ = Mn²⁺(aq) + 4 H₂O(l).

Écrire une réaction d'oxydoréduction

Le réducteur d'un couple donne des électrons à l'oxydant d'un autre : dans Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s), le zinc est le réducteur 1 et l'ion cuivre(II) l'oxydant 2.

On multiplie les demi-équations pour échanger le même nombre d'électrons, puis on les ajoute : les e⁻ disparaissent. On vérifie enfin les éléments et les charges.

Quantité d'électricité, capacité d'une pile

La quantité d'électricité vaut Q = I × Δt = n(e⁻) × F, avec F = N_A × e ; Q en C, I en A, Δt en s, n(e⁻) en mol, F en C·mol⁻¹.

La capacité Q_max est la charge maximale ; une pile est usée quand le réactif limitant est épuisé. La chaîne de calcul part du réactif limitant, donne n(e⁻)_max, puis Q_max = n(e⁻)_max × F et Δt_max = Q_max / I.

Fonctionnement d'une pile

Dans une pile, la transformation est spontanée : les électrons passent par le circuit, à travers le récepteur. À l'anode, pôle −, a lieu l'oxydation Red₁ → Ox₁ + n e⁻ ; à la cathode, pôle +, la réduction Ox₂ + n e⁻ → Red₂.

Le pont salin (ou une membrane) ferme le circuit par ses ions et garde les solutions électriquement neutres : électrons dans les fils, ions dans les solutions. La tension à vide est la tension aux bornes quand la pile ne débite pas.

Électrolyse : forcer la transformation

Dans un électrolyseur, un générateur impose le sens du courant : la transformation est forcée, inverse du sens spontané. La borne − envoie les électrons à la cathode, siège de la réduction ; la borne + les retire à l'anode, siège de l'oxydation.

La quantité de produit formé se déduit de la demi-équation à l'électrode et de n(e⁻) = I × Δt / F.

Pile ou électrolyseur ?

Le tableau final distingue les deux dispositifs. Dans une pile, la transformation est spontanée et convertit l'énergie chimique en énergie électrique. Dans un électrolyseur, la transformation est forcée et convertit l'énergie électrique en énergie chimique. Dans les deux cas, l'oxydation a lieu à l'anode et la réduction à la cathode. La pile alimente un récepteur ; l'électrolyseur est alimenté par un générateur.