Fonctionnement d'une pile

Un oxydant est une espèce chimique susceptible de capter un ou plusieurs électron(s), lors d’une réaction qui est une réduction :

Dans un montage électrochimique, l’électrode où se produit une réduction est la cathode.

Un réducteur est une espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs électron(s) lors d’une oxydation :

Une électrode où se produit une oxydation est une anode.

Dans les deux demi-équations électroniques, l’oxydant et le réducteur forment un couple, qui se note (couple « rédox »).

• Dans le circuit électrique, il y a circulation d’électrons. Ils constituent le courant continu généré par la pile. Mais, comme d’habitude en électricité, les électrons vont du – vers le +, alors que le courant I va du + vers le –.

• Au niveau de l’électrode de cuivre, il y a réduction des ions cuivre de la solution, selon la demi-équation électronique :

Le cuivre formé se dépose sur l’électrode, qui grossit durant le fonctionnement de la pile. Comme la réaction est une réduction, l’électrode de cuivre est la cathode.

La réaction capte des électrons. L’électrode de cuivre attire les électrons, qui ne peuvent venir que du circuit électrique. L’électrode de cuivre est la borne positive de la pile.

• Au niveau de l’électrode de zinc, il y a oxydation de celui-ci, selon la demi-équation électronique :

L’électrode de zinc est progressivement consommée. Comme il s’agit d’une réaction d’oxydation, l’électrode de zinc est l’anode.

La demi-équation électronique libère des électrons dans le circuit électrique. L’électrode de zinc est la borne négative.

Remarque : associer les termes anode/cathode aux polarités est une mauvaise idée, car dans le cadre d’une électrolyse, les relations anode/cathode et polarités sont inversées !

• Globalement, l’équation d’oxydoréduction qui lieu au sein de la pile est trouvée en « sommant » les deux demi-équations électroniques :

Cette réaction est la réaction spontanée qui a lieu entre les ions cuivre et le zinc. Elle libère de l’énergie. C’est l’énergie chimique liée à cette réaction qui est exploitée par la pile et récupérée en partie sous la forme d’énergie électrique.

La réaction inverse (cuivre réagissant avec les ions zinc) est possible, mais est elle est consommatrice d’énergie. Elle n’a pas donc lieu dans la pile.

• Sans le pont salin, la pile ne fonctionnerait pas, car il assure l’électroneutralité de chaque demi-pile, via la migration de ses ions. Durant le fonctionnement de la pile, la solution de sulfate de zinc s’enrichit en ions zinc ; les ions nitrate vont donc migrer vers cette solution. En parallèle, les ions ammonium vont dans le bac de sulfate de cuivre, afin de compenser le déficit en ions +, du fait de la consommation des ions cuivre.

Une pile se note de la manière suivante, par exemple pour la pile Daniell :

On peut ainsi lire que les couples rédox de la pile sont et . D’autre part, cette notation fait apparaître que l’électrode de cuivre est la borne + et l’électrode en zinc la borne –. Le symbole // désigne le pont salin.

Comme vu dans la fiche « conversion d'énergie et rendement », la tension U (en Volt) aux bornes d’une pile est fonction de l’intensité I (en Ampère) du courant qu’elle débite :


E est la force électromotrice. Cette tension est liée aux couples rédox employés dans la pile. Elle dépend aussi des concentrations des ions et de la température. Pour une pile Daniell avec , et à 25 °C, E est en théorie proche de 1,1 V.

r est la résistance interne de la pile (en Ohm). Elle est liée à la mobilité des ions, notamment au niveau du pont salin. En travaux pratiques, les valeurs sont de l’ordre de centaines d’Ohms, ou même de .

En traçant l’évolution de la tension U fonction de l’intensité I, on voit que la tension décroît jusqu’à s’annuler lorsque l’intensité vaut une valeur dite d’intensité de court-circuit .

La charge électrique Q (en Coulomb) qui a transité dans le circuit électrique pendant une durée   (en seconde) est donnée par :

où I (en Ampère) est l’intensité, supposée constante, du courant électrique. Q est reliée à la quantité d’électrons (en moles) qui a transité dans le circuit, par la formule :

(le Faraday) est la charge électrique d’une mole d’électrons.

La capacité d’une pile est la charge électrique totale qu’elle est capable de délivrer au cours de sa vie, de durée de fonctionnement .

s’exprime en Coulomb, ou en Ampèreheure (Ah). Par définition, un ampèreheure est la charge électrique qui a transité dans un circuit alimenté pendant 1 heure avec un courant de 1 Ampère. En conséquence, .