La pile expliquée à fond.

[ERIC86]

Bonjour

Pour mon exemple, je prends
une solution de sulfate de cuivre
et deux électrodes l'une en cuivre l'autre en Zn

Je ne comprends pas très bien :

- comment le passage du courant se réalise dans une solution ionique.
- ce qui se passe en réalité dans la solution ionique.

Je connais le principe général (c'est dans mon cours).
Ce que j'aimerais, c'est comprendre à fond les processus
(surtout au niveau électronique et atomique)

On me dit qu'il y a une réaction chimique entre le sulfate de cuivre et le zinc.
Cela produit des électrons je suppose ...
mais comment en réalité au niveau atomique ?

Les électrons passent dans une ampoule ou un moteur et ...
vont vers l'électrode en cuivre ... parce que c'est du + ?

Comment se fait-il que les ions Cu2+ s'accumulent sur l'électrode
en cuivre pourtant connectée au + ?

------------------------------------------------------
Problème de compréhension aussi pour les solutions
conductrice de courant.

Dans le fil de cuivre, les électrons "sautent" de couche e- en couche e-.
Ils arrivent dans une électrode.
La solution contient par exemple du Cu2+ et du MnO4-.

Comment les électrons migrent-ils d'une électrode vers l'autre.
Ils s'unissent au Cu2+ ?

Mes explications ne sont pas limpides.
C'est pour cela que j'ai besoin de vos explications.

Merci de m'éclairer ...
-----

[moco]

Je vais reprendre au tout début, parce que j'ai l'impression que tu n'as pas compris le principe, malgré que tu affirmes le contraire.

Quand tu trempes un morceau de métal zinc dans une solution de sulfate de cuivre CuSO₄ (mais contenant en réalité des ions Cu²⁺ et des ions sulfate SO₄^2-), tu produis une réaction chimique, dans laquelle les atomes de zinc donnent des électrons au ion cuivre. Le zinc passe en solution sous forme de ion Zn²⁺, et le cuivre Cu²⁺ se transforme en métal cuivre qui se dépose sur la feuille de zinc.

Dans une pile, on fait la même réaction, mais on sépare dans l'espace le phénomène où Zn perd un électron, et celui ou le ion Cu²⁺ capte cet électron. Pour ce faire, on trempe le morceau de métal Zinc dans de l'eau d'un premier récipient. Et on met la solution de sulfate de cuivre dans un autre récipient. Le zinc, qui a envie de perdre ses 2 électrons, peut former un ion prêt à se dissoudre dans l'eau. Le ou les électrons passent dans la feuille de métal, qui devient pleine d'électrons et devient donc le pôle négatif ou anode. Mais le phénomène s'arrête car les électrons ne savent pas où aller.

On prend alors un fil électrique (fil de cuivre) et on le relie à la plaque de zinc. Ce fil peut être assez long et traverser un moteur, un ampèremètre, une lampe, que sais-je. Il finit par arriver dans la deuxième solution où se trouvent les ions Cu²⁺ avides d'électrons. les électrons sautent d'atome à atome dans le fil et, au contact des ions Cu2+, ils les déchargent, et provoquent un dépôt de métal cuivre sur l'extrémité du fil de cuivre porteur d'électrons. mais là encore le phénomène ne dure que quelques millisecondes. Il ne dure pas, car quand on supprime les ions Cu²⁺ de la solution, il y reste encore les ions sulfate SO₄^2-, qui sont négatifs et qui empêchent l'arrivée de nouveaux électrons négatifs à travers le fil.

Pour que la pile marche, il faut permettre aux ions sulfate de quitter le compartiment où ils se trouvent, et de rejoindre l'autre compartiment où se forment les ions Zn²⁺, qui les attirent. Mais il ne faut pas mélanger ou siphonner les deux liquides. Il faut permettre aux seuls ions sulfate de passer de l'un des liquides à l'autre, sans que les ions Cu²⁺ ne passent aussi.

C'est pourquoi on réalise un pont humide entre les deux solutions, par exemple avec un papier buvard, ou un tube rempli de gélatine. Les ions sulfate, chassés par l'arrivée des électrons extérieurs se font refouler vers et à travers ce pont qu'ils traversent, car ils sont attirés par les ions positifs de l'autre côté.

Dès ce moment la pile marche. Il se crée un courant d'électrons à travers le fil depuis le zinc vers le cuivre, et un courant de ions négatifs SO₄^2- en solution et à travers le pont. la boucle est bouclée.

N'oublie pas que le moteur de tout cela est le zinc qui a envie de se débarrasser de ses électrons, et donc de s'oxyder. De l'autre côté, les ions cuivre Cu²⁺ se réduisent et forment le pôle plus.

A la fin de la pile, quand elle est usée, la plaque de zinc est toute rongée, la solution autour d'elle est formée de ions Zn²⁺ et sulfate SO₄^2-, et la solution de CuSO₄ ne contient plus de ions du tout.

Tu m'as suivi ?

[ERIC86]

Bonjour et merci pour votre réponse.

Je disais : "Je connais le principe ..."
mais j'avouais (humblement) que c'était ... "général"
J'aurais peut-être dû dire "superficiel" !

En tous cas un grand merci pour cette magistrale explication !

Non seulement cela m'aide beaucoup mais cela fait plaisir de COMPRENDRE.

J'ai néanmoins encore quelques questions.

"Le zinc, qui a envie de perdre ses 2 électrons, peut former un ion prêt
à se dissoudre dans l'eau." Cette "envie" de certains métaux porte un nom ?
J'en conclus que l'eau provoque donc une légère réaction chimique.

Vous dites :
"Il finit par arriver dans la deuxième solution où se trouvent les ions Cu2+ avides d'électrons. les électrons sautent d'atome à atome dans le fil et, au contact des ions Cu2+, ils les déchargent, et provoquent un dépôt de métal cuivre sur l'extrémité du fil de cuivre porteur d'électrons."

Il faudrait peut-être dire de manière encore plus précise :
"Il finit par arriver dans la deuxième solution où se trouvent les ions Cu2+ avides d'électrons. les électrons sautent d'atome à atome dans le fil et, au contact des ions Cu2+, ils s'unissent à ces ions (occupent les places libres) et ainsi les déchargent; cela provoque un dépôt de métal cuivre sur l'extrémité ..."

Je ne vois pas très bien dans la pratique le tube rempli de gélatine.
Je crois comprendre que le tube relie les deux bacs, qu'il est rempli
de gélatine et qu'il réalise le "pont".

"A la fin de la pile, quand elle est usée, la plaque de zinc est toute rongée, la solution autour d'elle est formée de ions Zn2+ et sulfate SO42-"
J'aurais cru que ces deux sortes d'ions s'uniraient ?

Je suppose bien entendu que dans une batterie de voiture
ou dans une pile les principes énoncés restent les mêmes.

Dans mon livre "Physique Chimie - Durandeau" de chez Hachette.

C'est la même chose que notre exemple ci-dessus
sauf qu'il n'y a qu'un seul bac !

Un seul bac contenant une solution de sulfate de zinc
dans lequel trempe deux électrodes.

Tout le processus décrit ci-dessus reste-t-il valable ?
Simplement, la réaction risque d'être plus forte et brève ?

Encore un grand merci.

PS Je peux vous tutoyer ? C'est comme vous voulez.

[Fajan]

Bonjour,

Je pense que si tu veux comprendre l'électrochimie à ce point, il faut repartir de base de physique et d'électricité.

Pourrais-je te conseiller ce livre : Electrochimie physique et analytique de Girault.

Tu dois en effet d'abord comprendre ce qu'est le potentiel, le courant, puis après les interfaces métal-métal, puis métal-solution, les polarisations, le potentiel de Galvani, les niveaux de Fermi etc.

[A voir en vidéo sur Futura]

[moco]

Sauf votre respect, le livre de Girault me paraît d'un niveau supérieur à celui de notre correspondant.

Dans une batterie de voiture, la chimie est toute différente. Il n'y a ni zinc ni cuivre. L'élément qui a envie de perdre un électron est le plomb Pb. Il joue le rôle du zinc. Il forme des ions Pb²⁺ ; mais ces ions ne restent pas longtemps en solution, car la solution contient de l'acide sulfurique, et, au contact des ions SO₄^2-, les ions plomb forment un précipité de sulfate de plomb PbSO₄, poudre blanche qui est insoluble et tombe au fond du bac. En réalité on l'empêche de tomber au fond en collant une feuille de plastique percée contre les plaques de plomb. Le réactions sont :
Pb --> Pb²⁺ + 2 e^-
puis :
Pb²⁺ + SO₄^2- --> PbSO₄

Les électrons créés vont accomplir tout un circuit extérieur avant de revenir sur l'autre électrode, qui est en plomb, mais en plomb recouvert d'une poudre brune faite d'oxyde de plomb PbO₂. Et c'est cet oxyde de plomb qui joue le rôle du ion cuivre : il capte les électrons, et forme des ions Pb²⁺ qui se transforme instantanément en sulfate de plomb. Les réactions sont :
PbO₂ + 4 H⁺ + 2 e^- --> Pb²⁺ + 2 H₂O
et :
Pb²⁺ + SO₄^2- --> PbSO₄

Ici on peut supprimer la membrane ou le pont entre les deux compartiment, car il n'y a aucun risque que les accepteurs d'électrons (PbO₂) n'aillent toucher la plaque anode en plomb, puisque PbO₂ est insoluble.

[Fajan]

Je dois bien avouer que ce livre est vraiment très compliqué à lire... Il faut laisser à Hubert Girault qu'il est un admirable électrochimiste suisse, un puriste qui va dans les détails avec formules et démonstrations à l'appui! Je pense que celui qui veut vraiment comprendre l'électrochimie doit passer par là.

Pour ma part, je n'y suis pas encore, je dois bien l'avouer...

[moco]

Je suis bien placé pour te répondre. Je connais fort bien Hubert Girault, et je le rencontre dans les couloirs de l'Ecole. On va s'arrêter là, car la discussion risque de prendre un ton personnel, ce qui ne devrait pas se produire sur le Forum.

[ERIC86]

Bonjour et merci pour vos précieuses réponses.

J'achèterais peut-être le livre de Girault mais seulement
s'il est aussi clair et accessible que les explications de Moco
Dites-moi ce que vous en pensez.

Dernières questions :

Qu'est-ce qui produit de la chaleur lors d'une réaction chimique ?
Le déplacement d'électrons ?

Pourquoi les ions SO4^2 qui ont migré vers l'autre récipient
ne s'unissent pas aux ions Zn^2+ pour former du sulfate de zinc ?

Est-ce tout à fait juste de dire :

"C'est parce qu'il s'oxyde que le zinc a envie de perdre
ses 2 électrons quand on le trempe dans l'eau ?"

"Dans une pile électrochimique, on utilise l'énergie chimique de deux réactifs - souvent des métaux. La réaction chimique produit de l'énergie électrique et de l'énergie thermique."

"La pile fonctionne jusqu'à ce qu'il n'ait plus de Cu^2+ ou de zinc."

Merci et bonne journée à tous !

[moco]

Le livre de Girault est fait pour des étudiants qui étudient en 3ème année de l'Université. A lire tes questions, on voit très bien que tu n'en es pas là.

Je vais reprendre tes questions les unes après les autres.
- "Qu'est-ce qui produit de la chaleur dans une réaction chimique ?"
Une réaction chimique produit de la chaleur quand elle permet à plus de liaisons chimiques de se former qu'on a dû en briser pour faire démarrer cette réaction.

- "Pourquoi les ions Zn²⁺ ne s'unissent pas aux ions SO₄^2- pour former du sulfate de zinc" ?
Ils s'unissent si on évapore la solution. En solution, l'eau s'intercale entre les ions et les sépare.

- "C'est parce qu'il s'oxyde que le zinc a envie de perdre
ses 2 électrons quand on le trempe dans l'eau ?"
Cette phrase est maladroite.
Tout atome qui perd des électrons s'oxyde, que ce soit du zinc ou non, et que cela soit dans l'eau ou non. Perdre des électrons est synonyme de s'oxyder.

"Dans une pile électrochimique, on utilise l'énergie chimique de deux réactifs - souvent des métaux. La réaction chimique produit de l'énergie électrique et de l'énergie thermique."
"La pile fonctionne jusqu'à ce qu'il n'ait plus de Cu^2+ ou de zinc."
Ces deux dernières phrases sont correctes.

[ERIC86]

Bonjour.

Merci pour vos réponses :
c'est vraiment gentil de votre part.

Pour en revenir à la batterie de voiture,
j'imagine que les plaques recouvertes d'oxyde de plomb,
possèdent aussi une feuille de plastique percée.

Je dis cela parce qu'elles produisent aussi du sulfate de plomb.

Je suppose que les réactions s'inversent simplement.

Je vous souhaite une bonne journée.