Pile Daniell

Depuis très longtemps, l’homme sait que la matière peut s’électriser. Cependant, il est très complexe d'entretenir une séparation de charges permettant la circulation d'un courant. Il faut attendre la fin du XVIII^e siècle et la pile de Volta pour disposer d'un premier générateur de courant.

En 1836, John Daniell, physicien britannique (1790-1845), invente une nouvelle pile constituée de deux compartiments contenant, pour l'un une solution aqueuse ionique de sulfate de cuivre dans laquelle plonge une lame de cuivre, pour l'autre une solution aqueuse ionique de sulfate de zinc dans laquelle plonge une lame de zinc.

Les deux compartiments sont reliés par un pont salin. Ce dispositif permet de générer une tension durable de 1,1 V.

• Identifier la borne positive et la borne négative de la pile ;
• Illustrer les réactions d'oxydations et de réductions ;
• Savoir écrire les équations de réactions qui se produisent au niveau de chaque électrode ;
• Comprendre le rôle du pont salin.

Comment fonctionne cette pile ?

Dans cette pile, les deux couples oxydant/réducteur mis en jeu sont :

• Cu²⁺_(aq) / Cu_(s)
• Zn²⁺_(aq) / Zn_(s)

Ces couples sont situés dans des compartiments séparés et reliés par un pont salin.

Côté anode : ox ydation du zinc Zn = Zn²⁺ + 2e^-. Cette électrode est la borne négative. Elle va perdre de sa masse puisqu’il y a disparition du zinc.

Côté cathode : réduction du cuivre Cu²⁺ + 2e^- = Cu. Cette électrode est la borne positive de la pile. Elle va gagner de la masse puisqu’il y a formation de cuivre.

Si un circuit extérieur relie l'anode à la cathode, les électrons libérés par l'anode peuvent rejoindre la cathode. Pour qu'un tel courant se maintienne, il est impératif de maintenir la neutralité électrique dans les compartiments. C'est la fonction du pont salin.

Dans le pont salin : du chlorure de potassium agit comme une vaste réserve d'ions potassium K⁺, et chlore Cl^-. Ces ions assurent la circulation du courant dans la pile en compensant les mouvements de charges de part et d'autre.

• Dans la solution de sulfate de cuivre, il y a de moins en moins d’ions Cu²⁺. L’électroneutralité de la solution est assurée par l'arrivée d'ions K⁺ (cations).
• Dans la solution de sulfate de zinc, il y a de plus en plus d’ions Zn²⁺. L’électroneutralité de la solution est assurée par l'arrivée d'ions Cl^-(anions).

L’objectif est de comprendre le mouvement des différents porteurs de charge et d'établir les équations correspondantes.

Scénario :

1. Faire réaliser la pile aux élèves, l’animation permettra de visualiser le mouvement des porteurs de charge.
2. Projeter l’animation aux élèves sans visualiser les mouvements des porteurs de charge (ions et électrons).

a. Le déplacement des électrons. Analyse de l'expérience réelle.

• Les élèves peuvent observer et noter la valeur de la tension aux bornes de la pile.
• À partir de cette observation, les élèves doivent en déduire la borne positive et la borne négative.
• Les élèves peuvent maintenant représenter le déplacement des électrons et le déplacement du courant. L'enseignant projette l'animation juste avec le mouvement des électrons.

b. Le déplacement des ions aux niveaux des électrodes. Utilisation de l'animation.

Après avoir représenté le déplacement des électrons, on demande aux élèves d’écrire les demi-réactions qui se produisent sur chaque électrode.

Afin de valider l’interprétation faite par chacun des élèves, on visualise l’animation et le professeur montre les mouvements des ions aux niveaux de chaque électrode.

c. Le déplacement des ions dans le pont salin, la fonction du pont salin.

Le professeur formule aux élèves les problématiques suivantes:

Problématique 1 : Que se passe-t-il pour la pile si on enlève le pont salin ?

Problématique 2 : Des ions Cu²⁺ « disparaissent » à la cathode alors que des ions Zn²⁺ « apparaissent » à l’anode. Comment assurer l’électroneutralité des solutions dans les deux compartiments ?

Le professeur recense les réponses des élèves puis visualise l’animation et observe les mouvements des ions contenus dans le pont salin.