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Lycée · 15 min

Une pile : de Daniell à Nernst

Monter une pile zinc–cuivre, voir circuler les électrons et étudier l’effet des métaux et de la concentration sur la tension.

Pile 3D : deux béchers avec électrodes métalliques reliés par un fil et un pont salin, électrons circulant dans le fil, tension affichée dans le coin.

Objectif

Mesurer EE pour quatre couples d’électrodes et tester l’équation de Nernst en changeant le rapport des concentrations.

Matériel et réactifs

Deux demi-piles reliées par un fil et un pont salin, par exemple Zn\ce{Zn} dans ZnX2+\ce{Zn^2+} et Cu\ce{Cu} dans CuX2+\ce{Cu^2+} ; un voltmètre.

Procédure

  1. Gardez Zn / Cu et lisez E∘E^\circ pour lg⁡Q=0\lg Q = 0.
  2. Amenez lg⁡Q\lg Q à +2+2 puis −2-2 et notez EE à chaque fois.
  3. Faites glisser « avancement » de 0 à 1 et observez électrodes et solutions.
  4. Changez le couple en Zn / Ag, Cu / Ag et Fe / Cu et comparez les tensions.

À observer

  • À lg Q = 0, Zn / Cu donne 1,10 V, Zn / Ag 1,56 V, Fe / Cu 0,78 V et Cu / Ag 0,46 V.
  • E varie d’environ 0,030 V par unité de lg Q (1,16 V à −2, 1,04 V à +2 pour Zn / Cu).
  • L’électrode négative s’amincit, la positive s’épaissit et la couleur bleue de Cu²⁺ pâlit.

Explication

À l’électrode négative (anode) le métal est oxydé, Zn→ZnX2++2 eX−\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e-} ; à l’électrode positive (cathode) des ions sont réduits, CuX2++2 eX−→Cu\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}. Les électrons circulent dans le fil de − vers +, et le pont salin permet aux anions d’aller vers l’anode et aux cations vers la cathode pour conserver la neutralité. À 25 °C, E=E∘−0,05916nlg⁡QE = E^\circ - \frac{0{,}05916}{n}\lg Q, où QQ est le rapport des concentrations ioniques de la réaction de pile ; E∘E^\circ est la différence des potentiels standard, Ecathode∘−Eanode∘E^\circ_{\text{cathode}} - E^\circ_{\text{anode}}.

Histoire de l’expérience

En 1836, John Frederic Daniell construit la première pile galvanique durable : une électrode de zinc dans de l’acide dilué (puis du sulfate de zinc) et une électrode de cuivre dans du sulfate de cuivre, séparées par une cloison poreuse. Contrairement à la pile de Volta capricieuse, la pile Daniell fournissait ~1,1 V stable et a alimenté les premiers télégraphes pendant des décennies. Les lois de l’électrolyse de Faraday (1834) puis le potentiel dépendant des concentrations de Nernst (1889) en ont fait des instruments quantitatifs.

Chimistes associés

Michael FaradayWalther Nernst

Sujets liés

Piles, potentiels d’électrode, équation de NernstÉlectrolyse, corrosion et protection des métaux

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