Comprendre comment une pile galvanique transforme l'énergie chimique en énergie électrique et savoir calculer la tension d'une pile Daniell.

Pile Daniell : Électrochimie et rédox

Objectifs

Expliquer le principe d'une pile Daniell et le rôle des demi-réactions d'oxydation et de réduction.
Calculer la tension standard \(E^{\circ}_{cell}\) et interpréter le sens de la réaction globale.
Utiliser l'équation de Nernst pour des conditions non standard et interpréter les variations de tension.

Notions clés

La pile Daniell se compose de deux demi-cellules reliées par un pont‑salin. À gauche, la demi‑réaction d'oxydation se produit sur l'électrode de zinc; à droite, la demi‑réaction de réduction se produit sur l'électrode de cuivre. L'équation nette est obtenue en combinant les deux demi‑équations équilibrées.

Représentation typique:

Notion clé 1 : Potentiel standard d'électrode, \(E^{\circ}\), mesure la propensity d'une demi‑réaction à se réaliser dans des conditions standards (1 M, 1 atm, 25 °C).

Notion clé 2 : Le signe de \(E^{\circ}_{cell}\) détermine le sens spontané de la réaction; \(E^{\circ}_{cell} > 0\) indique une réaction spontanée dans le sens galvanique.

Notion 1: Ecrire les demi-réactions et les équilibrer.

Notion 2: Déterminer l'anode (oxydation) et la cathode (réduction).

Notion 3: Calculer la réaction globale et la tension avec \(E^{\circ}_{cell} = E^{\circ}_{cathode} - E^{\circ}_{anode}\).

Question 1 : Dans la pile Daniell Zn|Zn^{2+} // Cu^{2+}|Cu, quel métal est oxydé à l'anode ?

Zn
Cu
Cu^{2+}

Réponse: Zn est oxydé en Zn^{2+}, c'est l'anode.

Notion 3 : Définition rapide

Équation nette d'une pile Daniell typique:

Exemple résolu : calcul de E°cell et réaction globale

Exemple d'une pile Daniell standard avec \(E^{\circ}_{cathode} = 0.34\ \, V\) et \(E^{\circ}_{anode} = -0.76\ \, V\). On obtient:

Voir le calcul rapide

Calcul de la tension standard:

Étape 1 : écrire les demi-réactions et les équilibrer.

Étape 2 : écrire l'équation globale et identifier les réactifs et les produits.

Étape 3 : calculer \(E^{\circ}_{cell} = E^{\circ}_{cathode} - E^{\circ}_{anode} = 0.34 - (-0.76) = 1.10\,\mathrm{V}\) et conclure sur la spontanéité.

L'exemple montre que la pile Daniell fournit une tension positive sous conditions standards, indiquant une réaction spontanée dans le sens galvanique.

Calculs et équations importantes

Pour une réaction globale Zn + Cu^{2+} → Zn^{2+} + Cu, on a

Notation des demi-réactions :

Équation de Nernst (à 25 °C) pour une tension hors conditions standard:

Arrivé à la fin : \(E = E^{\circ} - \frac{0.0592}{n} \log Q\) avec n = 2 et Q = [Zn^{2+}]/[Cu^{2+}].

Question 2 : Dans une pile Daniell, si les concentrations des ions sont égales et conditions standards, quelle est la valeur de E ?

0 V
E^{\circ}_{cell}
- E^{\circ}_{cell}

Réponse: B. Sous conditions standard, E = E^{\circ}_{cell}. Si Q = 1 et E^{\circ}_{cell} > 0, alors E = E^{\circ}_{cell}.

Erreurs fréquentes

Récapitulatif

Une pile Daniell comprend deux demi-cellules et un pont salin.
L'anode est l'oxydation, la cathode est la réduction.
\(E^{\circ}_{cell} = E^{\circ}_{cathode} - E^{\circ}_{anode} \) et \(E^{\circ}_{cell} > 0\) indique que la réaction est spontanée dans le sens galvanique.
Utiliser l'équation de Nernst pour des conditions non standards.

Cartes mémo

Anode

Oxydation; perte d'électrons

Cathode

Réduction; gain d'électrons

Équation de base

Réaction globale: Zn + Cu^{2+} → Zn^{2+} + Cu

Énergie

Tension: \(E^{\circ}_{cell}\)