À la fin, vous saurez
- Identifier anode et cathode par leur réaction.
- Distinguer déplacement d’électrons et migration d’ions.
- Calculer une capacité théorique à partir du réactif limitant.
Avant de commencer
Couples oxydant/réducteur, quantité de matière, intensité et charge Q=IΔt.
Comprendre
Séparer les demi-réactions
Une pile galvanique convertit l’énergie d’une réaction spontanée en énergie électrique. L’oxydation a lieu à l’anode et la réduction à la cathode. Pour une pile débitant spontanément, l’anode est le pôle négatif et la cathode le pôle positif. Ces signes ne définissent pas anode et cathode pour tous les dispositifs, notamment une électrolyse.
Fermer deux types de circuit
Les électrons traversent le conducteur extérieur de l’anode vers la cathode ; le courant conventionnel y circule en sens opposé. Dans les solutions et le pont salin, le transport de charge est assuré par les ions, pas par des électrons libres circulant dans le pont. Le pont permet de limiter l’accumulation de charge dans chaque compartiment.
Relier matière et charge
Si une réaction transfère z électrons par avancement x, la charge maximale théorique vaut Qmax=zF xmax, avec F≈96500 C/mol d’électrons. Il faut identifier le réactif limitant. Une capacité en ampères-heures vérifie 1 Ah=3600 C. Cette capacité théorique ne garantit pas la capacité réelle, qui dépend notamment des pertes et des conditions de décharge.
Exemple guidé
Une pile Zn/Cu fonctionne selon Zn+Cu²⁺→Zn²⁺+Cu. Elle contient 0,010 mol de Zn utilisable et Cu²⁺ est en excès. Calculer Qmax puis la durée idéale à 0,100 A.
- À l’anode, Zn→Zn²⁺+2e⁻. À la cathode, Cu²⁺+2e⁻→Cu.
- xmax=0,010 mol et z=2, donc Qmax=2×96500×0,010=1930 C.
- La capacité vaut 1930/3600≈0,536 Ah.
- À intensité supposée constante et utilisation totale idéale, Δt=Q/I=1930/0,100=19300 s≈5,36 h. Ce n’est pas une prédiction universelle de durée réelle.
À vous de jouer
Exercice 1
Dans cette pile, de quelle électrode vers quelle électrode circulent les électrons à l’extérieur ?
Un indice
Ils quittent le lieu de l’oxydation.
Voir la correction
Ils vont du zinc, anode négative, vers le cuivre, cathode positive, dans le conducteur extérieur.
Exercice 2
Convertir une capacité de 0,250 Ah en coulombs.
Un indice
Une heure vaut 3600 secondes.
Voir la correction
Q=0,250×3600=900 C.
Exercice 3
Une autre réaction transfère un électron par avancement et xmax=0,020 mol. Calculer Qmax avec F=96500 C/mol.
Un indice
Utiliser Qmax=zF xmax avec z=1.
Voir la correction
Qmax=1×96500×0,020=1930 C. Le nombre d’électrons par réaction doit être lu sur l’équation.
Les erreurs à éviter
- L’anode est définie par l’oxydation, pas par un signe universel.
- Les électrons ne traversent pas le pont salin comme un fil métallique.
- Ne pas confondre coulombs et ampères-heures.
Vérifiez votre compréhension
Référence scientifique
Fiche originale Dars +. Les références servent à vérifier les notions ; aucun cours ni exercice tiers n’est reproduit. Cette collection couvre des notions choisies et ne constitue pas un programme officiel exhaustif. Adéquation au programme de votre classe à confirmer avec votre enseignant.
OpenStax — Chimie ↗Référence en anglais. Rédaction et exercices originaux en français et arabe.