Simulation de Pile galvanique

À propos de cette expérience

Une pile galvanique transforme une réaction chimique en électricité. Placez du zinc dans du sulfate de zinc et du cuivre dans du sulfate de cuivre, reliez les métaux par un fil et les solutions par un pont salin : les électrons circulent alors du zinc vers le cuivre. Chaque métal a sa propre tendance à perdre des électrons, mesurée par son potentiel d’électrode ; la différence entre les deux potentiels détermine la tension. Associez différents métaux, faites varier les concentrations et la température, puis connectez une charge et observez la pile se décharger au fur et à mesure que la réaction progresse.

Objectifs pédagogiques

Identifiez l’anode, la cathode et le sens du flux d’électrons dans une pile galvanique
Calcule le potentiel standard de la pile à partir des potentiels standard des électrodes
Écrivez les demi-équations et l’équation globale d’une pile
Expliquez à l’aide de l’équation de Nernst comment la concentration et la température modifient la tension
Expliquez le rôle du pont salin et pourquoi une pile finit par se décharger

Comment l’utiliser

1Avec du zinc et du cuivre à 1 M, relevez la tension au voltmètre. Comparez-la à E°(Cu²⁺/Cu) - E°(Zn²⁺/Zn).
2Remplacez le cuivre par de l’argent, puis par du magnésium de l’autre côté. Quelle paire produit la tension la plus élevée, et quelle électrode est l’anode dans chaque cas ?
3Revenez au zinc et au cuivre. Abaissez la concentration en ions cuivre à 0,01 M. De combien la tension change-t-elle ? Comparez avec l’équation de Nernst.
4Placez du cuivre des deux côtés, avec des concentrations de 1 M et de 0,001 M. Pourquoi y a-t-il une tension alors que les deux électrodes sont constituées du même métal ?
5Cliquez sur « Connecter une charge » et déchargez la pile. Observez les électrodes, la couleur de la solution de cuivre et le graphique de la tension. À quel moment la tension chute-t-elle rapidement ?
6Réduisez la résistance de charge. Quel effet cela a-t-il sur le courant et sur la durée de fonctionnement de la cellule ?

Le modèle

E_{cell}^{\circ} = E_{cathode}^{\circ} - E_{anode}^{\circ}

Potentiel standard de la cellule à partir des deux potentiels standard d’électrode

E = E^{\circ} + \frac{R T}{n F} ln [M^{n +}]

Équation de Nernst pour un métal dans une solution de ses propres ions

Zn \to Zn^{2 +} + 2 e^{-} Cu^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu

Demi-équations : oxydation à l’anode, réduction à la cathode

Δ G = - n F E

Une tension de cellule positive signifie que la réaction est spontanée

Q = I t, n_{e} = \frac{Q}{F}

Charge transférée et quantité de matière d’électrons, avec F = 96 485 C/mol

Hypothèses

Les potentiels d’électrode utilisent les valeurs standard à 25 °C et l’équation de Nernst avec les concentrations à la place des activités.
Chaque bécher contient 100 mL. Le pont salin présente une résistance qui, avec celle des solutions, est prise en compte comme une résistance interne de 2 Ω.
Le courant ne peut pas dépasser ce que la diffusion peut fournir : il est limité à 2 A par mol/L d’ions à la cathode. C’est pourquoi la tension chute rapidement lorsque les ions de la cathode sont épuisés.
Les réactions secondaires, comme la réaction directe du zinc avec l’acide de la solution, sont ignorées. Pendant la décharge de la cellule, une heure s’écoule chaque seconde.

À essayer en classe

Q1Quel métal de la liste est l’agent réducteur le plus puissant ? Comment peut-on le déterminer à partir des potentiels d’électrode ?
Q2Écrivez l’équation globale d’une pile composée de magnésium et d’argent. Quel est son potentiel standard de pile ?
Q3Pourquoi une pile cesse-t-elle de fonctionner si l’on retire le pont salin ?
Q4Pourquoi la tension d’une pile zinc-cuivre varie-t-elle à peine pendant la majeure partie de sa durée de vie, puis chute-t-elle soudainement ?
Q5Une pile de concentration comporte le même métal des deux côtés. Quel côté est la cathode, et que deviennent les deux concentrations au fur et à mesure de la décharge ?

Foire aux questions

Pourquoi l’anode est-elle négative dans une pile galvanique, alors qu’elle est positive lors de l’électrolyse ?

L’oxydation a toujours lieu à l’anode. Dans une pile galvanique, l’oxydation libère des électrons dans le métal, si bien que l’anode devient la borne négative. Lors d’une électrolyse, une source externe extrait des électrons de l’anode, qui est donc reliée à la borne positive.

À quoi sert le pont salin ?

Cela permet aux ions de se déplacer entre les solutions afin que chacune reste électriquement neutre, sans qu’elles se mélangent. Les ions négatifs se déplacent vers l’anode et les ions positifs vers la cathode.

Pourquoi la valeur indiquée par le voltmètre diminue-t-elle lorsqu’une charge est connectée ?

Lorsque le courant circule, une partie de la force électromotrice sert à faire passer le courant dans la résistance interne de la pile. La tension aux bornes de la charge est égale à la force électromotrice moins I fois r.