Chapitre C4 : Les piles et l'énergie chimique

I) La réaction chimique dans une pile

Lors d’une réaction chimique, des atomes ou des molécules sont transformés en autres atomes ou molécules, des liaisons chimiques ont donc été cassées et créées. Cela libère de l’énergie sous forme de chaleur.
Dans une pile, on fait réagir deux ions métalliques entre eux ou un ion métallique et un métal solide. Les deux métaux s’échangent alors leurs électrons et se transforment. Le mouvement des électrons échangés crée de l’énergie électrique, c’est-à-dire de l’électricité.
Lorsque la réaction est finie, il n’y a plus d’électrons à échanger, la pile ne peut plus fonctionner.

II) Les piles électrochimiques

1) Bref historique de la pile

1800 : Alessandro Volta crée la première pile : empilement d’un disque de cuivre, d’un disque de zinc et d’un tissu imbibé de saumur (eau très salée). la tension de cette pile est alors d’environ 1 V.
1836 : John Daniell améliore le principe de cette pile en séparant le zinc et le cuivre : il fabrique deux électrodes reliées entre elles par un tissu imbibé de solution saline.
1867 : Invention de la pile Leclanché, dont la tension est d’environ 1,5 V. De plus, cette pile n’a pas besoin d’être entretenue pour fonctionner.
1959 : Première pile alcaline contenant du mercure.
1977 : Première pile au lithium.

Depuis 1998 les piles au mercure sont interdites. Les piles encore utilisées dans le monde ont toutes une tension de 1,5 V.

2) La pile saline

Electrode de zinc à la borne négative, électrode de carbone trempant dans du dioxyde de manganèse (MnO₂) à la borne positive. Les électrodes sont séparées par un électrolyte de chlorure d’ammonium (NH₄⁺,Cl^-).
Ces piles se déchargent très rapidement, on les utilise donc dans des appareils qui consomment peu (télécommande).

3) La pile alcaline

Les même électrode que pour la pile saline, l’électrolyte est remplacé par de la potasse (K⁺,HO^-). Ce sont les piles les plus utilisées actuellement.

4) La pile au lithium

Le même principe qu’une pile alcaline, l’électrode de zinc est remplacée par une électrode de lithium. Ce sont les piles qui durent le plus longtemps et qui fournissent le courant le plus élevé.

III) Les autres piles

1) La pile à hydrogène

Inventée pour palier au problème de la pollution, la pile à hydrogène fonctionne en faisant réagir du dioxygène et du dihydrogène sur des électrodes de platine. Cette réaction est particulièrement propre car elle ne crée que de l’eau, seulement la fabrication de ces piles n’est pas rentable, notamment à cause du prix du platine (environ 40 000 euros le kilogramme !), mais aussi car le dihydrogène de se trouve pas à l’état naturel sur Terre, et les techniques pour l’extraire sont soit trop chères, soit polluantes.

2) L'accumulateur

Un accumulateur est une pile capable d’être rechargée : lors de la recharge la réaction se fait en sens inverse et les réactifs sont recréés à partir des produits.
Le mot utilisé dans le langage courant « batterie » désigne un ensemble d’accumulateurs fonctionnant ensemble. Les accumulateurs couramment utilisés sont les accumulateurs au plomb dans les batteries de voitures, les accumulateurs au nickel ou au lithium dans les batteries de téléphones portables, ordinateurs ou dans les piles rechargeables.