Karamö, le prof virtuelLeçon 25 sur 26
La pile saline (pile Leclanché)
Je sais décrire la constitution d'une pile saline, écrire ses réactions aux électrodes, expliquer le rôle du dioxyde de manganèse et calculer ce qu'elle consomme.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire la constitution d'une pile saline et repérer ses pôles
- Écrire les demi-équations et l'équation-bilan de la pile Leclanché
- Expliquer le rôle dépolarisant du dioxyde de manganèse et les défauts de la pile
- Calculer la capacité d'une pile et les masses de réactifs consommées
Avant de commencer : Les générateurs électrochimiques (pôles, f.é.m., capacité), la pile cuivre-zinc (polarisation) et la pile Daniell (calculs avec Q = I × t et F = 96 500 C/mol).
1Je découvre
Au village, près de Kouroussa, le grand-père de Sékou écoute chaque soir les nouvelles sur une vieille radio qui fonctionne avec quatre grosses piles rondes. Un jour, la radio reste muette. En ouvrant le compartiment, Sékou découvre des piles gonflées, couvertes d'une croûte blanche et d'un liquide gluant qui a rongé les contacts métalliques. « Les piles ont coulé », dit son grand-père, déçu.
Sékou, curieux, regarde une pile usée coupée en deux par son professeur de physique-chimie. À l'intérieur, il voit une enveloppe en zinc percée par endroits, une tige noire au centre, et une pâte noire et humide entre les deux. Sur l'étiquette, il lit « pile saline » et « 1,5 V ».
La pile Daniell, étudiée en classe, contenait deux solutions et un pont salin : impossible de la mettre dans une radio ou une lampe torche. Comment les chimistes ont-ils fabriqué une pile solide, transportable, qu'on peut mettre dans sa poche ?
Comment est construite une pile saline, comment fonctionne-t-elle, et pourquoi finit-elle par couler ?
2Je comprends
1. Une pile « sèche »
La pile saline est l'héritière de la pile inventée par le Français Georges Leclanché en 1866. Sa version d'origine utilisait une solution liquide ; la version moderne est dite « sèche » : l'électrolyte est une pâte gélifiée, qui ne peut pas se renverser. On l'appelle « saline » parce que son électrolyte est un sel, le chlorure d'ammonium NH4Cl.
2. Constitution
Dans une pile saline cylindrique (celle des lampes torches et des radios), on trouve, de l'extérieur vers l'intérieur :
| Élément | Matériau | Rôle |
|---|---|---|
| enveloppe extérieure | carton ou plastique, métal | protection, isolation |
| godet (boîtier) | zinc | pôle négatif : c'est le réducteur, il est consommé |
| séparateur | papier imbibé | empêche le contact direct entre le zinc et le mélange |
| électrolyte | pâte gélifiée de chlorure d'ammonium NH4Cl (et de chlorure de zinc) | assure le passage du courant par les ions |
| mélange central | dioxyde de manganèse MnO2 + poudre de carbone | MnO2 est l'oxydant ; le carbone conduit le courant |
| tige centrale | graphite (carbone), coiffée d'un capuchon métallique | collecteur du pôle positif |
- 1Enveloppe isolante (carton ou plastique) qui protège la pile.
- 2Godet de zinc : pôle négatif, il s'use pendant le fonctionnement.
- 3Pâte gélifiée de chlorure d'ammonium : l'électrolyte qui contient les ions.
- 4Mélange de dioxyde de manganèse et de carbone : l'oxydant du pôle positif.
- 5Tige de graphite centrale, coiffée du capuchon métallique : le pôle positif.
3. Fonctionnement
Au pôle négatif : le zinc du godet s'oxyde.
Zn → Zn2+ + 2e^-
Au pôle positif : les électrons arrivent par la tige de graphite et sont captés par le dioxyde de manganèse, qui est réduit. Les ions H^+ nécessaires sont fournis par les ions ammonium NH4^+ de l'électrolyte. En version simplifiée :
MnO2 + H^+ + e^- → MnO(OH)
Équation-bilan (on multiplie la seconde demi-équation par 2 pour échanger le même nombre d'électrons) :
Zn + 2MnO2 + 2H^+ → Zn2+ + 2MnO(OH)
On peut aussi l'écrire en faisant apparaître les ions ammonium :
Zn + 2MnO2 + 2NH4^+ → Zn2+ + 2MnO(OH) + 2NH3
Vérification de la seconde écriture : Zn 1 = 1 ; Mn 2 = 2 ; O 4 = 4 ; N 2 = 2 ; H 8 = 2 + 6 ; charges : +2 = +2.
Le rôle clé du dioxyde de manganèse. Dans la pile de Volta, ce sont les ions H^+ qui étaient réduits en dihydrogène, et les bulles polarisaient la pile. Ici, c'est MnO2 qui capte les électrons : aucun gaz ne se forme. On dit que MnO2 est un dépolarisant. La pile peut ainsi fonctionner longtemps.
Représentation conventionnelle : ominus Zn | Zn2+, NH4^+ | MnO2, C oplus
4. Caractéristiques et formats
La f.é.m. d'une pile saline est d'environ 1,5 V, quelle que soit sa taille. La taille change la quantité de réactifs, donc la capacité et la durée de vie. Formats courants :
| Format | Usage fréquent | Tension |
|---|---|---|
| R03 (petite, fine) | télécommandes | 1,5 V |
| R6 (moyenne) | lampes torches, jouets | 1,5 V |
| R20 (grosse) | radios, grosses torches | 1,5 V |
| pile plate | lampe de poche | 4,5 V (3 éléments de 1,5 V en série) |
5. Défauts de la pile saline
- Le godet de zinc est à la fois le boîtier et le réactif. En s'usant, il s'amincit et peut se percer : l'électrolyte s'échappe, la pile coule et abîme l'appareil. C'est ce qui est arrivé à la radio du grand-père de Sékou.
- La tension baisse progressivement pendant l'utilisation.
- Elle supporte mal les fortes intensités (appareils à moteur, flash) et s'use même stockée, lentement (autodécharge), surtout à la chaleur.
- Elle n'est pas rechargeable : tenter de la recharger peut la faire couler ou éclater.
Conseils pratiques : retirer les piles d'un appareil qu'on n'utilise pas pendant longtemps, ne pas mélanger piles neuves et usées, les stocker au frais et au sec, et ne pas les jeter dans la nature (elles contiennent du zinc et des composés du manganèse).
6. Calculs
Correspondances tirées des demi-équations : 1 mol de Zn ↔ 2 mol d'électrons ↔ 2 mol de MnO2. Données usuelles : M(Zn) = 65 g/mol ; M(MnO2) = 55 + 2 × 16 = 87 g/mol ; F = 96 500 C/mol ; 1 A·h = 3 600 C.
Méthode
Pour les calculs sur une pile saline :
- J'écris les deux demi-équations : Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ et MnO₂ + H⁺ + e⁻ → MnO(OH).
- Je calcule n(e⁻) : à partir de Q = I × t (n = Q / 96 500) ou à partir d'une masse de réactif.
- J'en déduis n(Zn) = n(e⁻) / 2 et n(MnO₂) = n(e⁻).
- Je convertis en masses ou en capacité (A·h).
- Si les deux réactifs sont donnés, je cherche celui qui s'épuise en premier (réactif limitant).
Exemple
Une pile saline contient 6,5 g de zinc pouvant réagir. Calculer sa capacité maximale en coulombs et en ampères-heures, et la masse de MnO₂ nécessaire.
n(Zn) = 6,5 / 65 = 0,1 mol ; n(e⁻) = 2 × 0,1 = 0,2 mol.
Q = 0,2 × 96 500 = 19 300 C ; en A·h : 19 300 / 3 600 ≈ 5,36 A·h.
n(MnO₂) = n(e⁻) = 0,2 mol ; m(MnO₂) = 0,2 × 87 = 17,4 g.
Exemple
Une pile R20 alimente une radio qui consomme 0,3 A pendant 10 h. Quelles masses de zinc et de dioxyde de manganèse ont été consommées ?
Q = I × t = 0,3 × 10 × 3 600 = 10 800 C.
n(e⁻) = 10 800 / 96 500 ≈ 0,112 mol.
n(Zn) ≈ 0,056 mol ; m(Zn) ≈ 0,056 × 65 ≈ 3,64 g.
n(MnO₂) ≈ 0,112 mol ; m(MnO₂) ≈ 0,112 × 87 ≈ 9,74 g.
3Je retiens
Je retiens
Pile saline (Leclanché) : godet de zinc (pôle −), tige de graphite entourée de MnO₂ + carbone (pôle +), électrolyte gélifié de chlorure d'ammonium.
Pôle − : Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ ; pôle + : MnO₂ + H⁺ + e⁻ → MnO(OH).
Bilan : Zn + 2MnO₂ + 2H⁺ → Zn²⁺ + 2MnO(OH).
MnO₂ est l'oxydant et le dépolarisant : pas de dégagement de dihydrogène.
f.é.m. : 1,5 V pour tous les formats ; la taille fixe la capacité.
Défauts : le zinc se perce et la pile coule, tension qui baisse, pas rechargeable.
Calculs : 1 Zn ↔ 2 e⁻ ↔ 2 MnO₂ ; Q = I × t ; n(e⁻) = Q / 96 500.
4Erreurs fréquentes
- Croire que la tige de graphite réagit : elle ne sert qu'à conduire les électrons ; c'est MnO₂ qui est réduit.
- Croire que le zinc est au pôle + parce que c'est un métal et le graphite non : le zinc s'oxyde, il envoie des électrons, c'est donc le pôle −.
- Oublier le coefficient 2 devant MnO₂ dans le bilan : un atome de zinc libère 2 électrons, chaque MnO₂ n'en capte qu'un.
- Penser qu'une grosse pile R20 donne plus de 1,5 V : elle dure plus longtemps, mais sa tension est la même.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Donne le nom et le rôle des éléments suivants d'une pile saline : le godet de zinc ; la tige de graphite ; le dioxyde de manganèse ; la pâte de chlorure d'ammonium.
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Le godet de zinc est le pôle négatif : c'est le réducteur, il s'oxyde et fournit les électrons. La tige de graphite est le collecteur du pôle positif : elle conduit les électrons jusqu'à l'oxydant. Le dioxyde de manganèse est l'oxydant : il capte les électrons (il est réduit) et évite la formation de dihydrogène. La pâte de chlorure d'ammonium est l'électrolyte : ses ions assurent le passage du courant à l'intérieur de la pile et fournissent les ions H^+.
2Exercice 2
Écris les demi-équations aux électrodes de la pile saline et l'équation-bilan (forme simplifiée avec H^+). Vérifie la conservation des atomes et des charges.
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Pôle − : Zn → Zn2+ + 2e^-. Pôle + : MnO2 + H^+ + e^- → MnO(OH), à multiplier par 2.
Bilan : Zn + 2MnO2 + 2H^+ → Zn2+ + 2MnO(OH).
Atomes : Zn 1 = 1 ; Mn 2 = 2 ; O 4 = 4 ; H 2 = 2. Charges : +2 à gauche, +2 à droite.
3Exercice 3
Explique pourquoi on dit que MnO2 est un « dépolarisant ». Compare avec la pile cuivre-zinc de Volta.
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Dans la pile de Volta, les ions H^+ sont réduits en dihydrogène au pôle + ; les bulles se collent à l'électrode et font chuter la tension : c'est la polarisation. Dans la pile saline, c'est MnO2 qui capte les électrons à la place des ions H^+ : aucun gaz ne se forme, donc il n'y a pas de polarisation. C'est pourquoi on dit que MnO2 est un dépolarisant.
4Exercice 4
Une lampe de poche fonctionne avec une pile plate de 4,5 V.
a) Combien d'éléments de pile saline contient-elle, et comment sont-ils associés ?
b) Pourquoi une pile usée oubliée dans la lampe peut-elle l'abîmer ?
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a) 4,51,5 = 3 : la pile plate contient 3 éléments de 1,5 V montés en série.
b) En s'usant, le godet de zinc s'amincit et peut se percer : l'électrolyte corrosif s'écoule et ronge les contacts de la lampe.
5Exercice 5
(Type BEPC) Une pile saline R6 contient 3,25 g de zinc et 10 g de dioxyde de manganèse pouvant réagir.
a) Écris les demi-équations et l'équation-bilan de fonctionnement.
b) Calcule les quantités de matière de zinc et de dioxyde de manganèse.
c) Quel réactif s'épuise le premier ? Justifie.
d) Calcule la capacité maximale de la pile en coulombs et en A·h.
e) Cette pile alimente une lampe torche qui consomme 0,25 A. Calcule sa durée maximale de fonctionnement.
Données : Zn = 65 ; Mn = 55 ; O = 16 g/mol ; F = 96 500 C/mol.
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a) Pôle − : Zn → Zn2+ + 2e^- ; pôle + : MnO2 + H^+ + e^- → MnO(OH) ; bilan : Zn + 2MnO2 + 2H^+ → Zn2+ + 2MnO(OH).
b) n(Zn) = 3,2565 = 0,05 mol. M(MnO2) = 87 g/mol ; n(MnO2) = 1087 ≈ 0,115 mol.
c) D'après le bilan, 0,05 mol de zinc réagit avec 2 × 0,05 = 0,1 mol de MnO2. On dispose de 0,115 mol de MnO2, c'est suffisant : le zinc s'épuise le premier, c'est le réactif limitant.
d) n(e^-) = 2 × 0,05 = 0,1 mol ; Q = 0,1 × 96 500 = 9 650 C ; en A·h : 9 6503 600 ≈ 2,68 A·h.
e) t = QI = 9 6500,25 = 38 600 s, soit environ 10,7 h (10 h 43 min 20 s).
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6Je vérifie
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