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Déterminer la polarité et la nature des électrodes d'une pile

Le transfert d'électrons ayant lieu dans une pile est dû à une réaction d'oxydoréduction entre deux couples. Le sens dans lequel se déroule cette réaction permet de déterminer la polarité de la pile et la nature des électrodes (anode ou cathode).

Soit la pile cuivre-zinc dont le schéma est représenté ci-dessous. Lorsque cette pile est reliée à un récepteur on observe, au bout d'un certain temps, que la solution de sulfate de cuivre, initialement cyan, se décolore tandis que l'électrode de zinc se désagrège.

Déterminer la polarité de cette pile ainsi que la nature des électrodes.

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Donnée : les couples d'oxydoréduction concernés sont : \(\displaystyle{\ce{Cu^2+}}\) / \(\displaystyle{\ce{Cu}}\) et \(\displaystyle{\ce{Zn^2+}}\) / \(\displaystyle{\ce{Zn}}\).

Etape 1

Déterminer la nature des réactifs et des produits de la réaction d'oxydoréduction

On détermine la nature des réactifs et des produits de la réaction d'oxydoréduction, à partir d'une des données de l'énoncé.

L'énoncé indique que la solution de sulfate de cuivre se décolore tandis que l'électrode de zinc se désagrège. On en déduit que les réactifs sont :

  • Les ions \(\displaystyle{\ce{Cu^2+}}\) : c'est parce qu'ils sont consommés que la solution de sulfate de cuivre se décolore.
  • Le zinc \(\displaystyle{\ce{Zn}}\) : c'est parce qu'il est consommé que la lame de zinc se désagrège.
Etape 2

Écrire l'équation de la réaction d'oxydoréduction

On écrit l'équation de la réaction d'oxydoréduction, à partir des demi-équations électroniques de chaque couple et dans le sens dans lequel elle se déroule.

Les demi-équations électroniques des deux couples sont :

  • \(\displaystyle{\ce{Cu^2+} + 2 \ce{e^-} = \ce{Cu}}\)
  • \(\displaystyle{\ce{Zn} = \ce{Zn^2+} + 2 \ce{e^-}}\)

On en déduit l'équation de la réaction d'oxydoréduction :

\(\displaystyle{\ce{Cu^2+} + \ce{Zn} = \ce{Cu} + \ce{Zn^2+}}\)

Etape 3

Déterminer la polarité de la pile

On détermine, à partir des sens dans lesquels se déroulent les demi-équations électroniques, la polarité de la pile sachant que :

  • Le pôle négatif est celui qui libère les électrons.
  • Le pôle positif est celui qui capte les électrons.
  • D'après le sens de la demi-équation : \(\displaystyle{\ce{Zn} = \ce{Zn^2+} + 2 \ce{e^-}}\), l'électrode de zinc libère les électrons, elle constitue donc le pôle négatif de la pile.
  • D'après le sens de la demi-équation : \(\displaystyle{\ce{Cu^2+} + 2 \ce{e^-} = \ce{Cu}}\), l'électrode de cuivre capte les électrons : elle constitue donc le pôle positif de la pile.

On complète alors le schéma de la pile en indiquant la position de ses pôles :

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Etape 4

Identifier l'anode et la cathode

On identifie, à partir des demi-équations électroniques, la nature des deux électrodes (anode ou cathode) sachant que :

  • L'anode est le siège de l'oxydation.
  • La cathode est le siège de la réduction.

D'après les sens dans lesquels se déroulent les demi-équations :

  • D'après la demi-équation \(\displaystyle{\ce{Cu^2+} + 2 \ce{e^-} = \ce{Cu}}\), l'électrode de cuivre est le siège de la réduction, c'est donc la cathode.
  • D'après la demi-équation \(\displaystyle{\ce{Zn} = \ce{Zn^2+} + 2 \ce{e^-}}\), l'électrode de zinc est le siège de l'oxydation, c'est donc l'anode.