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Dans la série « il y a une raison à tout », peut-être désirez-vous savoir d’où vient le 1,5 V des piles alcalines ou saline ?

Bien-sûr, on trouve également des piles plates de 4,5 V, ou des piles de 6 V, et même de 9 et 12 V. Mais si vous avez déjà ouvert une telle pile, vous savez qu’elles contiennent 3, 4, 6, et 8 unités de 1,5 V chacune respectivement.

Il y a évidemment une raison à ce 1,5 V et elle réside dans la nature même d’une pile, qui est un dispositif chimique.

L’oxydo-réduction

Dans une molécule, les atomes s’organisent en partageant leurs électrons. Quand deux molécules réagissent entre elles, elles peuvent s’échanger des électrons : une telle réaction, où ce qui est échangé sont des électrons, est appelé une réaction d’oxydo-réduction. Un des composé (le réducteur) se transforme et libère un électron, et un autre, l’oxydant, le capte pour se transformer également.

Le truc ingénieux dans une pile électrique, c’est que le réducteur et l’oxydant ne sont pas directement en contact. Ils sont séparés par une barrière imperméable aux électrons. La seule façon pour qu’un électron passe du réducteur vers l’oxydant, c’est en passant par un fil électrique : c’est notre circuit électrique !

Une pile seule, c’est donc deux produits chimiques qui ne peuvent pas se mélanger.
Quand on relie les deux bornes de la pile par un fil, les électrons quittent le réducteur par la borne négative pour aller réduire le produit oxydant qui se trouve derrière la borne positive.

La réaction chimique ne peut donc se produire que lorsqu’on branche la pile dans un circuit. Par suite, tant que la réaction a lieu, le courant circulera. Ce n’est que lorsque tous les réactifs sont consommés que la réaction s’arrête et que le courant cesse de circuler : la pile est alors vide.

La composition d’une pile électrique

On l’a vu au dessus : dans une pile, il y a deux ensembles : l’anode, qui veut donner des électrons, et la cathode qui veut les capter. On parle même de « demi-piles » :

une pile alcaline
Schéma d’une pile alcaline de type zinc / dioxyde de manganèse.

Si l’on prend l’exemple des piles alcalines, l’anode contient du zinc en milieu basique, qui libère des électrons en devenant de l’oxyde de zinc :

$$Zn_{(s)} + 2OH{-}_(aq) \longrightarrow ZnO_{(s)} + H{2}O_{(l)} + 2e^{-}$$

De l’autre côté, à la cathode, les électrons arrivent sur du dioxyde de manganèse baignant dans de l’ammoniaque et l’ensemble va former du sesquioxyde de manganèse :

$$2MnO_{2, (s)} + H_{2}O_{(l)} + 2e^{-} \longrightarrow Mn_2O_{3, (s)} + 2OH^{-}_{(aq)}$$

Or, comme dans les faits les deux demi-piles ne peuvent fonctionner l’une sans l’autre, on peut écrire ces deux équations de demi-piles en une seule équation totale de la pile :

$$Zn_{(s)} + 2MnO_{2, (s)} \longrightarrow Mn_2O_{3, (s)} + ZnO_{(s)}$$

Dans un circuit électrique, ce qui fait la nature même de l’électricité, c’est la circulation des électrons.
Cette dernière équation se produit par un transfert d’électrons d’un réactif à un autre, et ces électrons empruntent le chemin du circuit électrique.

Et ce fameux « 1,5 V » ?

Il y a deux caractéristiques principales notables pour un courant électrique :

  • l’intensité : il s’agit du nombre d’électrons qui passent dans le circuit ;
  • la tension : il s’agit de la « vivacité » des électrons, la force avec laquelle ils traversent le circuit.

Pour augmenter l’intensité, il suffit de mettre plusieurs piles en parallèle : le nombre d’électrons libérés par les réactions dans chacune des piles va alors automatiquement augmenter.

Pour la tension, il faut savoir que quand un atome ou une molécule libère un électron, il le fait avec plus ou moins de facilité. C’est ici qu’intervient la notion de potentiel électrique : ici, c’est le potentiel qu’a une molécule pour libérer un électron.

La tension électrique dans un circuit correspond à la différence de potentiel électrique entre les extrémités du circuit. Ici, plus l’anode pousse les électrons dans le circuit, plus son potentiel est négatif et plus la cathode arrive à les consommer, plus son potentiel est positif. La différence de potentiel entre l’anode et la cathode correspond à la tension nominale de la pile.

Les potentiels de chaque demi-pile sont dictées par les réactifs eux-mêmes. Chaque couple oxydant-réducteur a un potentiel chimique bien précis.
Ainsi, dans le cas de la pile alcaline zinc-dioxyde de manganèse, on a :

  • à l’anode : ${Zn}/{Zn0}$ : −1,28 V
  • à la cathode : ${MnO_2}/{Mn_2O_{3, (s)}}$ : +0,15 V

La différence entre les deux est de 1,43 V, ce qui correspond bien environ aux 1,5 V des piles alcalines standard.

Et les autres piles et batteries ?

Dans les autres piles, on a la même chose : deux demi-piles, avec deux réactions : une qui libère un électron et une autre qui la consomme.

Dans la pile saline, qui est similaire à une pile alcaline, c’est juste que le zinc et le dioxyde de manganèse baignent dans une solution acide. Plusieurs réactions ont lieu sur le manganèse, mais la tension totale de la pile est là également sensiblement de 1,5 V.

Les accumulateurs Ni-Cd ou NiMH ont quant à elles une tension nominale de ~1,2 V, à cause des potentiels de réduction valant −0,49 pour l’anode et +0,80 sur la cathode.

Dans tous les cas précédents, les potentiels sont très proches les un des autres et ceci est plutôt pratique : un appareil conçu pour des piles alcalines fonctionneront aussi (sauf exceptions) avec des accumulateurs NiMH malgré une faible diminution de tension.

Dans les batteries Li-ion et Li-Po, la tension nominale est de 3,7 V : le fonctionnement est le même, mais les différences de potentiel entre les deux demi-piles est alors bien plus important ici.

Dans les piles 4,5 V et les autres, on trouve une suite de plusieurs piles de 1,5 V branchées en série : les potentiels de chaque pile s’additionnent en cascade et l’on obtient 4,5 V pour 3 piles, ou 9 V quand on a 6 piles, etc.

image d’en-tête de Tomblois

12 commentaires

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Tom JJ wrote:

Bonjour,
Une question me turlupine : si la tension est liée au espèces chimiques présentes dans la pîle, comment expliquer que la tension de la pile diminue au fil de l'utilisation de cette pîle ?
Merci

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Le Hollandais Volant wrote:

@Tom JJ : C’est dû à la quantité de réactifs qui restent.

Le potentiel d’une espèce chimique dépend seulement de l’espèce chimique, mais dans la pile, on n’a pas un seul atome mais tout un tas. Si tous les atomes tendent à pousser leur électrons dans le circuit quand la pile est neuve, à la fin, il y en a beaucoup moins : le potentiel électrique aux deux bornes diminue et la tension entre les deux aussi.
Il faut aussi considérer les phénomènes de résistance électrique interne de la pile : quand le zinc a libéré son électron, il se retrouve ionisé et il « bloque » en quelque sorte les électrons des autres atomes de zinc : ça participe au augmenter la résistance interne de la pile (un peu comme quand tu fais la queue au supermarché : le client précédent a beau avoir fini de payer et de ranger, s’il traîne devant l’entrée avec son caddie en plein milieu, ça bloque tout le monde jusque dans la file à la caisse).

Toutes les piles ne se vident pas de façon identique.
Les piles salines voient leur tension chuter de façon linéaire avec le temps.
Les piles alcalines, la voient diminuer au début, puis se stabiliser (cette période est la plus longue), pour enfin chuter de nouveau rapidement. Dans les piles alcalines, ceci est dû à une succession de plusieurs réactions sur l’anode.
Les accumulateurs NiMH maintiennent quant à elles leur tension relativement bien dans la durée, mais chutent d’un seul coup sur la fin (un phénomène bien connu si tu as déjà utilisé ces piles dans une Game-Boy : la tension chute si vite qu’il y a à peine le temps de sauvegarder sa partie de jeu, alors qu’avec les alcalines, la fin de vie des piles était visible par l’intensité de la LED du témoin d’alimentation).

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Loukatao wrote:

Bonjour,
Dans le même temps, peux-tu nous expliquer ce qu'est le couple galvanique entre les métaux.N'est-ce pas cela le principe de la pile?
Autre question: pourquoi certaines piles sont rechargeables et pas d'autres?
Merci.

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Le Hollandais Volant wrote:

@Loukatao : le couple galvanique est une forme de "pile" électrique oui : quand on met en contact deux métaux, les électrons peuvent passer de l’un à l’autre, comme dans la pile. Il suffit d’un petit peu d’humidité pour que l’un des métaux se dissolve et libère un électron. Un des métaux finit donc par se dissoudre et le matériau tombe en miettes.

Une pile n’est pas forcément formé de deux métaux. La pile « zinc-air » par exemple, utilise du zinc et de l’oxygène présent dans l’air.
Pareil quand le fer rouille dans l’air ou dans l’eau salée. On protège les bateaux de ça avec une anode de zinc : le potentiel de réaction du zinc étant plus fort que celui de l’acier du bateau, c’est l’anode de zinc qui s’oxyde plutôt que la coque.

Pour les piles rechargeables : c’est juste que certaines réactions sont réversibles et pas d’autres. Parfois c’est d’ordre pratique : dans une pile à combustible (oxygène + hydrogène), c’est parce que séparer une molécule d’eau en H2 et O2 demande beaucoup d’énergie.
Dans une pile carbone-zinc, c’est parce que la pile neuve contient une tige de carbone qui s’érode quand la pile est utilisée. Si on la met dans un chargeur, rien n’oblige le carbone à reprendre sa forme géométrique initiale et il y a alors des réactifs partout. Dans une pile Li-ion, c’est une matrice d’oxyde de cobalt qui maintient des ions lithium en place : la matrice d’oxyde de cobalt ne s’use pratiquement pas, c’est pour ça qu’on peut recharger l’accu : les ions lithium reprennent leur place initiale dans la matrice d’oxyde de cobalt.

Les piles alcalines sont rechargeables sous certaines conditions (entre 0 % et 30 % de décharge, elles se rechargent bien, mais si elles sont trop déchargées, elles ne se rechargent pas et les composés forment des gaz dangereux quand on la branche dans un chargeur…).

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AdnX wrote:

Très instructif, comme d'hab. Merci!

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Le-Gritche wrote:

Merci pour ces explications.

Selon le schéma initial, deux piles en série se vident en cours circuit et leur demi piles centrales ne servent à rien. J'ai loupé quelque chose ?

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Le Hollandais Volant wrote:

@Le-Gritche : En série, tu as l’anode d’une pile qui est reliée à la cathode d’une autre.
Avec juste ça, il ne se passera rien : il faut quand-même qu’il y ait un circuit fermé, or ici, des électrons ne peuvent aller que dans un sens : de l’anode vers la cathode. Les électrons ne peuvent donc pas se retrouver en court-circuit.

Si on prend l’analogie avec une cascade d’eau (le potentiel correspondant au dénivelé et l’intensité du courant au débit d’eau), c’est comme si tu avais deux cascades à la suite (ou alors une grande). Donc le débit (courant) est identique, mais tu as quand-même doublé la hauteur de chute (le potentiel).
Dans un circuit c’est ce qu’on a : deux piles en série donnent bien 3 V et un courant inchangé.

Si tu mets les piles en parallèle, alors tu as deux cascades côte à côte : même hauteur de chute (même tension) mais un débit doublé (davantage d’intensité).

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Le-Gritche wrote:

Donc le pont séparateur ionique laisse passer des ions mais pas des électrons ? La pile a besoin d'un conducteur externe pour les faire passer ? J'ai jeté un coup d'oeil à la page wiki du pont salin, c'est ce que j'en ai gardé.

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Le Hollandais Volant wrote:

@Le-Gritche : t’as bien gardé l’essentiel.
Un électron ne peut pas se retrouver seul dans une solution. Il ne peut donc pas s’y promener. Un ion, dissout, lui il peut.

Donc l’électron ne peut passer de l’anode à la cathode que quand un atome dissout touche l’anode, y dépose son électron (et devient un ion). L’électron parcourt le circuit électrique et arrive sur la cathode. Là, un ion l’attend, capture l’électron et devient un atome (non ionisé).

Dans le cas d’une pille Daniell (zinc/cuivre), l’anode en zinc métallique se dissout en ion zinc 2+ au fur et à mesure que des électrons la quittent. De l’autre côté, la cathode, baignée dans une solution cuivreuse se voit recouverte de cuivre métallique (atomes de cuivre) au fur et à mesure que des électrons arrivent dessus et transforment les ions cuivre 2+ en cuivre métallique.

Au bout d’un moment, toute l’anode de zinc se dissout (si le zinc est le réactif limitant), ou tout le cuivre de la solution baignant la cathode se dépose sur la cathode (si les ion cuivre sont limitant).

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Le-Gritche wrote:

Merci !

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hbx380 wrote:

Merci pour ces explications mais quand tu dit : "la tension : il s’agit de la « vivacité » des électrons, la force avec laquelle ils traversent le circuit." Tu parles de vivacité la force mais est-ce que l'on pourrait pas parlé plutôt de vitesse avec laquelle les électrons traversent le circuit ? Parce que pour moi la force c'est quelque chose qui est fait au départ qui est lancé, donc l'électron est "lancé" au départ dans le circuit qui lui donne une vitesse ou bien est-ce que cette force ne serait pas une force d'attraction propre au matériaux (la cathode de manganèse) qui arracherait l'électron au matériaux de départ (l'anode de zinc ) ?

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Le Hollandais Volant wrote:

@hbx380 : le vitesse des électrons est plutôt lié à la résistance électrique. Ils rebondissent sans cesse sur les atomes et au finale n'avancent que lentement.

Vois ça comme une planche inclinée pleine de clous sur laquelle on fait rouler des billes.

Même très inclinée, les billes mettent du temps à arriver en bas.
Une planche faiblement inclinée (peu de tension) mais sans clouds, les billes iront plus rapidement en bas.

À la place, c'est comme tu dis : la force avec laquelle les électrons sont initialement retirés du zinc. C'est bien la tension qui arrache les électrons à un atome.
Chaque matériau isolant a d'ailleurs une limite de tension qu'il supporte : pour 1 cm d'air, la limite de conduction est de 36000 volts. Au delà, l'air devient conducteur et amorce un arc électrique.


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