Les piles zinc-air sont actuellement utilisées pour alimenter les systèmes auditifs ou les clôtures électriques.

Le schéma de cette pile est donné ci-dessous :

1)- Quelles sont les électrodes de cette pile ?

2)- Quel est son électrolyte ?

3)- Le dioxygène est un des réactifs de la pile.

Quel est l’intérêt de cette pile ? Pourquoi les trous d’aération sont-ils obturés jusqu’à la mise en service ?

1)- Les électrodes de cette pile :

-  Les électrodes de la pile sont les deux parties en acier nickelé (le boîtier de la pile).

2)- L’électrolyte de la pile :

-  L’électrolyte de la pile est la solution de potasse 

-  K⁺ (aq) + HO^– (aq)

3)- Intérêt de cette pile 

-  L’un des réactifs de cette pile est le dioxygène.

-  Le dioxygène est l’un des constituants de l’air qui nous entoure.

-  Ainsi la pile est constituée d’un seul réactif, la poudre de zinc amalgamé, l’autre réactif est le dioxygène de l’air.

-  Les trous d’aération sont obturés jusqu’à la mise en service, ainsi l’un des réactifs (dioxygène) n’est pas présent et la pile ne peut pas fonctionner.

-  Elle ne s’use pas jusqu’à son utilisation (lors de l’utilisation, on enlève le scotch d’obturation).

On considère la pile zinc-argent, représentée ci-dessous :

1)-  À l’extérieur de la pile :

a)-  Quel est le sens du courant ?

b)-  Quels sont les porteurs de charge et dans quel sens se déplacent-ils ?

2)- À l’intérieur de la pile :

a)-  Quel est le sens du courant ?

b)-  Quels sont les porteurs de charge et dans quel sens se déplacent-ils ?

3)- Écrire l’équation de la réaction se produisant au niveau de chacune des électrodes.

Lorsque la pile, schématisée ci-dessous, fonctionne, des réactions se produisent aux électrodes :

À l’électrode de fer :

Fe (s) → Fe²⁺ (aq) + 2 e^–

Ni²⁺ (aq) + 2 e^– → Ni (s)

1)- Quel est le sens de déplacement des électrons à l’extérieur de la pile ?

2)- Quel est le sens du courant à l’extérieur de cette pile ?

3)- Quelle est la borne positive de cette pile ?

Schéma de la pile :

1)- Sens de déplacement des électrons à

l’extérieur de la pile :

-  À l’électrode de fer se produit la réaction suivante :

Fe (s) → Fe²⁺ (aq) + 2 e^–

-  Cette réaction est une oxydation, elle se produit à l’anode.

-  Cette réaction produit des électrons.

-  À l’électrode de nickel se produit la réaction suivante :

Ni²⁺ (aq) + 2 e^– → Ni (s)

-  Cette réaction est une réduction, elle se produit à la cathode.

-  Cette réaction consomme des électrons.

-  En conséquence, à l’extérieur de la pile, les électrons se déplacent de l’électrode de fer vers l’électrode de nickel (circuit électrique).

2)- Sens du courant à l’extérieur de cette pile :

-  Le courant électrique, à l’extérieur de la pile se déplace en sens inverse de celui des électrons.

-  Le courant électrique se déplace de l’électrode de nickel vers l’électrode de zinc.

3)- Borne positive de cette pile :

-  Par définition, le courant sort de la borne positive d’un générateur.

-  Comme le courant circule de l’électrode de nickel vers l’électrode de fer à l’extérieur de la pile, l’électrode de nickel constitue la borne positive de cette pile.

Des piles au magnésium équipent certains gilets de sauvetage, mais aussi des torpilles.

Le magnésium métallique Mg (s) réagit avec

les ions hydrogène H⁺ (aq) d’une solution d’acide chlorhydrique selon la réaction d’équation :

2 H⁺ (aq)  +  Mg (s)  →  H₂ (g) + Mg²⁺ (aq)

1)- Le magnésium est-il oxydé ou réduit ?

2)- Les ions hydrogène ont-ils été oxydés ou réduits ?

3)- Identifier l’oxydant et le réducteur qui réagissent.

4)- Quels sont les couples oxydant/réducteur mis en jeu ?

Équation bilan de la réaction :

2 H⁺ (aq)  +  Mg (s)  →  H₂ (g) + Mg²⁺ (aq)

1)- Le magnésium métallique Mg (s) :

-  Au cours de la réaction précédente,le magnésium métal Mg (s) subit la demi-équation électronique suivante :

 Mg (s) →  Mg²⁺ (aq) + 2 e^–

-  Cette réaction est une oxydation, elle cède des électrons.

-  En conséquence, le magnésium métal Mg (s) a été oxydé.

2)- Les ions hydrogène ont-ils été oxydés ou réduits ?

-  Au cours de la réaction précédente, les ions hydrogène H⁺ (aq) subissent la demi-équation électronique suivante :

2 H⁺ (aq) + 2 e^– → H₂ (g)

-  Cette réaction est une réduction, elle consomme des électrons.

-  En conséquence, les ions hydrogène H⁺ (aq) ont été réduits.

3)- Identifier l’oxydant et le réducteur qui réagissent.

-  Au cours d’une réaction oxydoréduction, le réducteur a été oxydé et l’oxydant a été réduit :

-  Le magnésium métal Mg (s) est le réducteur

-  L’ion hydrogène H⁺ (aq) est l’oxydant.

4)- Les couples oxydant/réducteur mis en jeu :

-  Couple 1 : Mg²⁺ (aq) / Mg (s) 

-  Couple 2 : H⁺ (aq) / H₂ (g)

Établir les demi-équations redox des couples suivants en présence d’ions hydrogène H⁺ (aq) :

a)-  IO₃^– (aq) / I₂ (aq)

b)-  H₂O₂ (aq) / H₂O (ℓ)

c)-  O₂ (g) / H₂O (ℓ)

d)-  HOCl (aq) / Cl₂ (g)

Les demi-équations électroniques :

a)-  Couple IO₃^– (aq) / I₂ (aq) :

b)-  Couple H₂O₂ (aq) / H₂O (ℓ) :

c)-  Couple O₂ (g) / H₂O (ℓ) :

d)-  Couple HOCl (aq) / Cl₂ (g) :

Les piles SR 44 à oxyde d’argent alimentent les calculatrices, les montres, etc.

Leur électrolyte est constitué de potasse K⁺ (aq) + HO^– (aq).

Lorsque ces piles fonctionnent, les réactions aux électrodes ont pour équation :

Ag₂O (s) + H₂O (ℓ) + 2 e ^– → 2 Ag (s) + 2 HO^–  (aq)

Zn (s) + 2 HO^–  (aq)  →  ZnO (s) + H₂O (ℓ) + 2 e^–

1)- L’électrode de zinc est-elle la borne positive de cette pile ?

2)- Quels sont les couples oxydant / réducteur mis en jeu ?

3)- Écrire l’équation de la réaction de fonctionnement de ces piles.

Les accumulateurs lithium-ion alimentent des téléphones et ordinateurs portables, des voitures électriques, etc.,

car ils ont des caractéristiques très intéressantes.

Li (graphite) → (graphite) + Li⁺ + e^–

CoO₂ + Li⁺ + e^– → CoLiO₂

1)- Le lithium est-il oxydé ou réduit à l’électrode de graphite ?

2)- Cette électrode constitue-t-elle le pôle positif de l’accumulateur ? Justifier la réponse.

3)- Écrire l’équation bilan de la réaction de fonctionnement en générateur de l’accumulateur.

Le fonctionnement en générateur de l’accumulateur est schématisé ci-dessous :

4)- Quels sont les porteurs de charge responsables du passage du courant dans les différentes parties du circuit ?

5)- Quel est le réactif qui limite la durée de fonctionnement de l’accumulateur en générateur ?

6)- Lorsque l’accumulateur est déchargé, on le recharge en le reliant à un générateur électrique.

La réaction traduisant la charge est l’inverse de celle qui se produit lors de la décharge.

a)-  Quel doit être alors le sens de déplacement des électrons dans le circuit extérieur à l’accumulateur ?

b)-  Pour cela, à quelle électrode doit-on relier la borne positive du générateur électrique ?

c)-  Quel est la transformation d’énergie qui a lieu dans l’accumulateur lors de la charge ?

1)- Étude du lithium :

-  Le lithium subit la réaction suivante :

Li (graphite) → (graphite) + Li⁺ + e^–

-  Cette réaction cède des électrons :  c’est une oxydation.

-  Le lithium est oxydé.

2)- L’électrode de graphite :

-  Cette électrode où se produit l’oxydation du lithium est la borne négative du générateur, l’anode.

3)- Équation bilan de la réaction :

4)- Réactif limitant de l’accumulateur :

-  Le réactif limitant est le lithium, car il est oxydé à l’électrode de graphite en Li⁺ qui se déplace vers

l’autre électrode à l’intérieur de l’accumulateur (électrode constituée d’oxyde de cobalt CoO₂)

5)- Étude du fonctionnement en générateur :

-  Les porteurs de charge responsables du passage du courant dans les différentes parties du circuit sont :

-  Les électrons à l’extérieur du générateur

-  Les ions lithium à l’intérieur du générateur.

6)- Charge de l’accumulateur :

a)-  Sens de déplacement des électrons dans ce cas :

-  Les électrons doivent circuler dans le sens inverse dans ce cas, c’est-à-dire de l’électrode constituée

 d’oxyde de cobalt CoO₂ vers l’électrode de graphite à l’extérieur de l’accumulateur.

b)-  Branchement du générateur qui permet la charge de l’accumulateur.

-  Dans ce cas, le générateur impose le sens du courant dans le circuit.

-  Le courant sort de la borne positive de ce générateur.

-  Les électrons circulent dans le sens inverse du sens du courant.

-  La borne négative du générateur est reliée à l’électrode de graphite de l’accumulateur.

c)-  Transformation d’énergie qui a lieu dans l’accumulateur leur de la charge :

-  Lors de la charge de l’accumulateur par le générateur, on transforme de l’énergie électrique en énergie chimique.

-  Il se produit les réactions inverses aux niveaux des électrodes.

-  On réalise une électrolyse.

-  Remarque : on transforme aussi de l’énergie électrique en énergie thermique.

La gravure à l’eau forte est une méthode de reproduction ancienne.

L’artiste dessine à l’aide d’une pointe en métal sur une plaque de cuivre recouverte de vernis.

Lorsque la gravure est terminée, la plaque est plongée dans une solution d’acide nitrique,

H⁺ (aq) + NO₃^– (aq), anciennement appelée eau forte :

les parties de cuivre non protégées par le vernis sont attaquées par les ions nitrate NO₃^– (aq) et

la solution utilisée devient bleue.

Le dessin peut être reproduit sur les feuilles de papier en remplissant d’encre les sillons creusés par l’acide.

1)- Première partie :

a)-  Quel est l’ion responsable du bleuissement de la solution ?

b)-  Le métal cuivre est-il l’oxydant ou le réducteur ?

Écrire la demi-équation d’oxydoréduction du couple oxydant / réducteur mis en jeu.

2)- Deuxième partie :

a)-  Les ions nitrate NO₃^– (aq) constituent-ils l’oxydant ou le réducteur ?

b)-  L’espèce conjuguée de l’ion nitrate NO₃^– (aq) est le monoxyde d’azote NO (g).

Écrire la demi-équation correspondante en présence d’ions hydrogène H⁺ (aq).

c)-  En déduire l’équation de la réaction.

d)-  Pourquoi doit-on utiliser une solution d’acide nitrique et non une solution de nitrate de potassium K⁺ (aq) + NO₃^– (aq) ?