L’énergie chimique

Légende de la leçon

Vert : définitions

I. Les piles et les accumulateurs

Initialement, le nom de « pile » désignait un empilement de rondelles de deux métaux différents en contact grâce à une solution ionique conduisant le courant, appelée électrolyte. Aujourd’hui, on appelle « pile » un générateur électrochimique monobloc constitué d’un seul élément, non rechargeable.

Un exemple de pile saline est présenté ci-contre.

Un exemple de pile à combustible est présenté au chapitre 20, p. 121. Les piles à combustible utilisent des espèces chimiques : l’électricité est produite par l’oxydation à l’anode d’un combustible réducteur, comme le dihydrogène ou le méthanol, en même temps que la réduction à la cathode d’un oxydant, tel que le dioxygène de l’air. La réaction d’oxydation est accélérée en utilisant un catalyseur, comme le platine.

Une pile est un convertisseur d’énergie :

Chaîne énergétique d’une pile

Un accumulateur est une pile pouvant être rechargée. On trouve des accumulateurs dans les voitures, les camions, les motocyclettes (accumulateurs au plomb). On peut constituer un ensemble d’accumulateurs, qu’on appelle alors une batterie d’accumulateurs.

Lorsqu’un accumulateur se décharge, il fonctionne comme une pile : de l’énergie chimique est transformée en énergie électrique et en énergie thermique.

Lorsque l’on charge un accumulateur à l’aide d’énergie électrique, de l’énergie chimique est produite. Il y a souvent de l’énergie thermique dissipée au cours de la charge, car un accumulateur est un convertisseur d’énergie :

Chaîne énergétique d’un accumulateur en charge

Pour recharger l’accumulateur, il faut relier la borne positive de l’accumulateur à la borne positive d’un générateur extérieur, et la borne négative à la borne négative du même générateur.

II. L’énergie stockée

1) La quantité d’électricité disponible Q

Une pile transfère de l’énergie électrique à l’appareil qu’elle alimente en consommant des réactifs chimiques. La quantité d’électricité disponible Q peut être déterminée à partir de la quantité de matière de réactif limitant et de la quantité d’électricité qui va circuler.

La constante de Faraday (F) est la charge portée par une mole de charge élémentaire :

1 F = 9,65 × 10⁴ C.mol⁻¹.

La charge électrique Q est liée à la quantité d’électrons ayant circulé dans le circuit électrique.

Le lien entre les quantités de charge débitées par la pile et les quantités de réactifs consommées est établi grâce aux demi-réactions : si une pile consomme des ions cuivre II et les transforme en cuivre métallique, on a Cu²⁺_(aq) + 2e⁻ = Cu_(s). Il faut alors deux fois plus d’électrons que d’ions cuivre. Ainsi n_e- = 2 n_Cu2+.

Exemple

On dispose d’une pile pour laquelle l’ion cuivre (II) serait le réactif limitant avec une quantité initiale n_Cu2+ = 0,020 mol. Cette pile peut donc mettre en jeu une quantité d’électrons n_e = 2 n_Cu2+ = 0,040 mol. La capacité théorique est donc Q = n_e × F = 0,040 × 96 500 = 3,9 × 10³ C.

La quantité d’électricité disponible Q peut également être indiquée par le constructeur sous la forme d’une valeur théorique sur la pile ou l’accumulateur (pour un accumulateur complètement chargé pendant un cycle complet de décharge ou pour une pile neuve) en A.h ou en mA.h. 1,0 A.h est bien à une charge électrique Q = I.Δt = 1,0 × 3 600 = 3 600 C.

2) L’énergie disponible E

L’énergie disponible E est l’énergie stockée sous forme chimique dans la pile ou dans l’accumulateur (ou la batterie d’accumulateur). Elle est égale à sa charge électrique Q multipliée par la tension moyenne U sous laquelle cette charge est déchargée :

E = Q × U.

L’énergie stockée se mesure en général en watt.heure (W.h), bien que l’unité officielle soit le joule (J).

Il est possible d’associer plusieurs accumulateurs en série afin d’augmenter la tension aux bornes de l’ensemble. En associant 6 accumulateurs au plomb en série, ayant chacun une tension de 2,25 V, on obtient une batterie ayant une tension de 13,5 V.

Remarque

Un watt.heure correspond à une puissance P = 1,0 W fonctionnant pendant une durée Δt = 1 h = 3 600 s. Ceci correspond à une énergie E = P × Δt = 1,0 × 3 600 = 3 600 J = 3,6 kJ.

De même, un kilowatt.heure correspond à une énergie E = 1,0 kW.h = 1,0 × 10³ × 3 600 = 3 600 × 10³ J = 3,6 MJ.