Pile Daniell

[invitefc63b361]

Bonjour,

Je suis en première S et je souhaiterais avoir quelques explications sur le fonctionnement de la pile Daniell :



Dans le bécher de gauche, le bout de Zinc libère des ions Zinc Zn2+ et 2 électrons. Mais pourquoi ? Par quoi ce phénomène est-il causé ? Est-ce que les ions SO42- de la solution dans laquelle la barre de Zinc est plongée joue-t-elle un rôle ?

Ensuite, pourquoi les électrons se déplacent-ils dans le fil qui relie les deux barres de Zinc et Cuivre ?

Enfin, je ne comprends pas l'utilité du pont salin. Certes il sert à relier les deux cuves pour fermer le circuit, mais à quoi servent les ions NO3- et les ions K+ ?

Merci.
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[moco]

Un fil de cuivre ou de métal conducteur est formé d'atomes de métal. Ces atomes sont situés dans les premières colonnes du tableau périodique. Ces atomes possèdent 1, 2 ou 3 électrons sur leur couche extérieure. C'est peu par rapport au maximum qui est de 8. Ces couches sont donc relativement vides. Il y a de la place. Dans un morceau de métal, les atomes se touchent, et leurs couches électroniques aussi. Comme elles sont relativement vides, il arrive qu'un électron d'un atome A passe sur l'atome B par hasard. Immédiatement bien sûr, un autre électron passera de B vers A, ou de B vers C, et un 3ème électron passera de C vers A.
Résultat : les électrons ne sont pas condamnés à rester toujours sur le même atome. Ils voyagent d'un atome à l'autre au hasard dans le morceau du métal. C'est un peu comme les molécules O2 et N2 dans l'air. Il y a toujours le même nombre d'électrons sur chaque atome, mais ce n'est pas toujours les mêmes électrons.
Si par contre quelque chose les pousse à un des bouts du métal, et quelque chose d'autre les attire à l'autre bout, alors ils se déplaceront tous dans le même sens. Cela créera un courant électrique.

Dans une pile, ce qui pousse les électrons est le morceau de métal zinc trempé dans l'eau. Le zinc est un métal qui a envie de perdre ses électrons et devenir un ion Zn2+. Dans un morceau de zinc trempé dans l'eau, la pression des électrons augmente dans le métal zinc. Le cuivre par contre a un comportement inverse. Non seulement il n'a pas envie de perdre ses électrons. Mais ses ions Cu2+ aimeraient bien faire l'inverse et récupérer les électrons disponibles et devenir métal.

Le problème, c'est que si Zn crée des ions Zn2+ dans l'eau en chassant ses électrons, la solution se charge positivement, et le tout ne peut pas marcher longtemps. Le zinc peut certes produire quelques ions Zn2+, mais le phénomène s'arrête dès qu'il y a quelques ions Zn2+ dans l'eau. Ces ions sont des charges qui repoussent les nouveaux Zn2+ que Zn voudrait créer. Pour que la pile marche, il faut compenser cette création de charges positive autour du zinc, et amener de nouveaux ions négatifs. C'est pour cela qu'on met un pont salin. Par ce pont, les ions négatifs (sulfate SO4^2-) abandonnés par le cuivre sont attirés par les ikons Zn2+. Ils migrent en solution, et rejoignent Zn2+. la pile peut cette fois fonctionner.
Tu comprends ?

[invitefc63b361]

Il me semble que j'ai compris. Seulement...

J'ai regardé sur la classification périodique : l'atome de Fer se trouve sur la 8e colonne ; le cuivre sur la 11e et le Zinc sur la 12e ! D'après mes souvenirs, cela voudrait dire que le Fer possède 8 électrons sur sa couche externe, le cuivre 11, le zinc 12... Mais il doit y avoir une erreur car je ne sais plus si il existe des couches qui peuvent contenir autant d'électrons.

"Le zinc est un métal qui a envie de perdre ses électrons et devenir un ion Zn2+." ; "Mais ses ions Cu2+ aimeraient bien faire l'inverse et récupérer les électrons disponibles et devenir métal" => A quoi est dû cette si grande différence entre ces métaux ?

"Le problème, c'est que si Zn crée des ions Zn2+ dans l'eau en chassant ses électrons, la solution se charge positivement, et le tout ne peut pas marcher longtemps." => Cela voudrait dire qu'une solution peut-être "saturée" en ions positifs ?
"Par ce pont, les ions négatifs (sulfate SO4^2-) abandonnés par le cuivre" => Mais le cuivre n'a jamais eu besoin de SO4^2-, si ? A moins que sinon, la solution était encore une fois "saturée" en ions Cu2+, et une fois les ions Cu2+ transformé en cuivre solide, la solution n'a plus besoin de ces ions négatifs contrairement à l'autre bécher. Est-cela ?

Mais de quelle matière est faite le pont salin pour que les ions puissent circuler ?


Désolée pour toutes ces questions mais ce sujet m'intrigue beaucoup.

[moco]

Je vais essayer de répondre à tes questions.

Personne ne sait pourquoi le cuivre et le zinc sont si différents au niveau électrochimique, alors qu'ils sont voisins dans la table ! C'est un fait qu'il faut prendre comme il est, de nature expérimentale. Si tu en trouves la raison, dis le : c'est le Prix Noble pour demain !

Tous les atomes de transition, donc situés dans les petites colonnes du tableau périodique, perdent deux électrons et forment des ions chargés 2+. C'est assez rare qu'ils en perdent davantage. Là encore on a de la peine à expliquer pourquoi. C'est encore une fois un fait de nature expérimentale.

Une solution ne peut pas être saturée en ions positifs. Dès qu'elle en possède un de trop, elle commence à attirer un ion négatif. Mais cette attraction est si faible qu'elle reste sans effet. Il faudra peut-être des années pour que le ion en question approche, et que le zinc puisse émettre de nouveaux électrons.

Tu as bien de la peine à te représenter ce qui se passe, semble-t-il. Pour faire une pile Daniell, on trempe une tige de zinc dans de l'eau, ou mieux dans une solution de sulfate de zinc ZnSO₄, contenant des ions Zn2+ et des ions sulfate SO₄^2-. De l'autre côté on trempe une tige de platine ou de charbon dans une solution de CuSO₄. Donc c'est une solution contenant les ions Cu²⁺ et des ions SO₄^2-. Quand les électrons émis par le zinc arrivent au contact de cette solution, ils déchargent les ions Cu²⁺ et les transforment en métal cuivre Cu. Mais il reste des ions SO₄^2- en solution, et leur seule présence empêche de nouveaux électrons d'arriver et de poursuivre la réaction de décharge des ions Cu²⁺. La pile s'arrête !

Il faut se débarrasser de ces ions SO₄^2- abandonnés près du cuivre. Et justement l'autre compartiment a besoin de charges négatives. On les mets en contact par un pont, qui pourrait fort bien ne contenir que de l'eau. Cela irait. Mais cela n'irait pas bien, à cause de la grande distance séparant la plaque de zinc qui les attire, et la plaque de cuivre qui les repousse. Les ions se déplacent très lentement dans l'eau. Il vaut mieux mettre un pont contenant déjà beaucoup de ions positifs et négatifs, de l'eau salée par exemple. Comme cela, les ions sulfate poussent d'autres ions du même signe, à travers l'eau et le point. Et le courant de ions est bien meilleur.

[A voir en vidéo sur Futura]