Terminale spécialité · Physique-chimie · Constitution et transformations de la matière · Chapitre 8

Piles

Fiche de cours5 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026

Télécharger la fiche (PDF)Exercices et contrôles

1Transfert direct ou indirect d’électrons

Définition. Une réaction d’oxydoréduction est un transfert d’électrons d’un réducteur (qui les cède, il est oxydé) vers un oxydant (qui les capte, il est réduit). Chaque couple $\ce{Ox/Red}$ est décrit par la demi-équation électronique $\ce{Ox}$ + $n$   $\ce{e-}$ = $\ce{Red}$ .

Définition. Si l’oxydant et le réducteur sont en contact, le transfert est direct : l’énergie libérée l’est sous forme thermique (le mélange s’échauffe). S’ils sont séparés dans deux compartiments reliés par un circuit extérieur, le transfert est indirect : les électrons circulent dans le circuit et le dispositif, appelé pile, fournit de l’énergie électrique.

2Constitution et fonctionnement d’une pile

Définition. Une pile est formée de deux demi-piles — une électrode métallique plongée dans une solution électrolytique — reliées par un pont salin, qui ferme le circuit et assure la neutralité électrique des solutions en laissant migrer les ions.

Définition. L’anode est le siège de l’oxydation : c’est le pôle $-$ . La cathode est le siège de la réduction : c’est le pôle $+$ . La tension à vide est la tension entre les pôles lorsque la pile ne débite pas.

Propriété — sens de circulation. Dans le circuit extérieur, le courant sort de la pile par le pôle $+$ ; les électrons circulent en sens inverse, du pôle $-$ vers le pôle $+$ . Dans les solutions et le pont salin, la charge est transportée par les ions : les cations se déplacent dans le sens du courant, les anions en sens inverse.

Figure 1 — Pile Daniell. Le zinc s’oxyde (pôle $-$ ), les ions cuivre(II) se réduisent (pôle $+$ ) ; les électrons vont du zinc au cuivre dans le circuit extérieur, ici fermé sur un conducteur ohmique $R$ .

3Équation de fonctionnement

Méthode — écrire l’équation de fonctionnement. identifier les deux couples ; écrire la demi-équation de l’anode dans le sens de l’oxydation et celle de la cathode dans le sens de la réduction ; multiplier chacune pour égaliser le nombre d’électrons ; additionner : les électrons se simplifient et ne figurent pas dans l’équation.

Propriété. Le sens de fonctionnement est celui qu’impose le critère d’évolution spontanée : pour l’équation écrite, si $Q_{r,i}<K$ le système évolue dans le sens direct, ce qui fixe quelle électrode est l’anode, donc la polarité de la pile. Réciproquement, la polarité mesurée au voltmètre permet de retrouver le sens de l’équation.

4Quantité d’électricité, capacité et usure

FormulaireRelier la durée, l’intensité et les quantités de matière

Quantité d’électricité débitée : $Q=I\,\Delta t=n(\ce{e-})\times F$ , avec $Q$ en ${\mathrm{C}}$ , $I$ en ${\mathrm{A}}$ , $\Delta t$ en ${\mathrm{s}}$ et la constante de Faraday $F={96\,500\,\mathrm{C}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}}$ .
Les quantités d’électrons et de matière sont liées par les nombres stœchiométriques des demi-équations : pour $\ce{Zn -> Zn^2+ + 2 e-}$ , $n(\ce{e-})=2\,n(\ce{Zn})$ consommé.
Capacité d’une pile : quantité d’électricité totale qu’elle peut faire circuler, souvent en ${\mathrm{A}{\cdot}\mathrm{h}}$ ( ${1\,\mathrm{A}{\cdot}\mathrm{h}}={3\,600\,\mathrm{C}}$ ). Elle est fixée par le réactif limitant, dont la disparition use la pile.

DonnéesOxydants et réducteurs de la vie courante

Oxydants : dioxygène $\ce{O2}$ , dichlore $\ce{Cl2}$ , ion hypochlorite $\ce{ClO-}$ de l’eau de Javel. • Réducteurs : acide ascorbique (vitamine C, antioxydant), métaux du bloc s (lithium, sodium, magnésium), très réducteurs, employés dans les piles et accumulateurs à forte capacité massique.

5Savoir-faire du chapitre

Savoir-faire

Distinguer transfert direct et transfert indirect d’électrons ; expliquer le rôle du pont salin.
Identifier anode, cathode et polarité ; donner le sens du courant, des électrons et des ions.
Écrire les réactions aux électrodes puis l’équation de fonctionnement ; schématiser une pile à partir de sa polarité ou du critère d’évolution.
Relier durée, intensité et quantités de matière par $Q=I\,\Delta t=n(\ce{e-})\,F$ .
Calculer une capacité, une durée de fonctionnement, une variation de masse d’électrode.
Reconnaître les oxydants et réducteurs usuels et justifier l’usure d’une pile.

6Exemples types

Exempleéquation de fonctionnement

Couples $\ce{Zn^2+/Zn}$ et $\ce{Cu^2+/Cu}$ ; le zinc est le pôle $-$ , le cuivre le pôle $+$ .

anode (oxydation) : $\ce{Zn(s) -> Zn^2+(aq) + 2 e-}$ cathode (réduction) : $\ce{Cu^2+(aq) + 2 e- -> Cu(s)}$
les électrons s’équilibrent déjà : $\ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)}$

Exempletrouver la polarité avec le critère d’évolution

Pour $\ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) <=> Zn^2+(aq) + Cu(s)}$ , $K={2\times10^{37}}$ à ${25{}^{\circ}\mathrm{C}}$ . Avec $[\ce{Zn^2+}]_i=[\ce{Cu^2+}]_i={0{,}10\,\mathrm{mol}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}}$ , $Q_{r,i}=\dfrac{[\ce{Zn^2+}]}{[\ce{Cu^2+}]}=1$ , très inférieur à $K$ : le système évolue dans le sens direct, le zinc est oxydé. L’électrode de zinc est donc l’anode, c’est le pôle $-$ .

Exemplevariation de masse d’une électrode

La pile précédente débite $I={50\,\mathrm{mA}}$ pendant $\Delta t={2{,}0\,\mathrm{h}}={7{,}2\times10^{3}\,\mathrm{s}}$ . Alors $Q=I\,\Delta t={3{,}6\times10^{2}\,\mathrm{C}}$ , donc $n(\ce{e-})=Q/F={3{,}7\times10^{-3}\,\mathrm{mol}}$ et $n(\ce{Zn})=n(\ce{e-})/2={1{,}9\times10^{-3}\,\mathrm{mol}}$ : l’électrode de zinc perd $m=n\,M(\ce{Zn})={0{,}12\,\mathrm{g}}$ ( $M(\ce{Zn})={65{,}4\,\mathrm{g}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}}$ ). Il se dépose la même quantité de matière de cuivre, soit $n\,M(\ce{Cu})={0{,}12\,\mathrm{g}}$ ( $M(\ce{Cu})={63{,}5\,\mathrm{g}{\cdot}\mathrm{mol}^{-1}}$ : masses voisines, mais pas égales).

Exemplecapacité d’une pile

Une pile contient $m={4{,}3\,\mathrm{g}}$ de zinc, réactif limitant : $n(\ce{Zn})={6{,}6\times10^{-2}\,\mathrm{mol}}$ , donc $n(\ce{e-})=2\,n(\ce{Zn})={0{,}13\,\mathrm{mol}}$ et $Q=n(\ce{e-})\,F={1{,}3\times10^{4}\,\mathrm{C}}$ , soit une capacité de ${3{,}5\,\mathrm{A}{\cdot}\mathrm{h}}$ ( $Q$ , non arrondie, divisée par ${3\,600\,\mathrm{C}}$ ). Si l’appareil alimenté consomme $I={80\,\mathrm{mA}}={0{,}080\,\mathrm{A}}$ , elle tient $\Delta t=Q/I={1{,}6\times10^{5}\,\mathrm{s}}$ , soit ${44\,\mathrm{h}}$ .

Pièges

Confondre le sens du courant et celui des électrons : ils sont opposés dans le circuit extérieur.
Croire que l’anode est toujours le pôle $+$ : dans une pile, l’anode (oxydation) est le pôle $-$ .
Laisser les électrons dans l’équation de fonctionnement : ils n’apparaissent que dans les demi-équations.
Oublier le facteur stœchiométrique entre $n(\ce{e-})$ et la quantité de métal consommé.
Utiliser $\Delta t$ en heures dans $Q=I\,\Delta t$ : le résultat est en coulombs seulement si $\Delta t$ est en secondes.

← Sens d’évolution spontanée Force des acides et des bases →

Exercices, contrôles et sujets

Les énoncés sont en accès libre, à télécharger en PDF.

Exercices de base

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Les bases : transfert direct ou indirect d’électrons, constitution d’une pile, polarité, sens du courant, équation de fonctionnement, quantité d’électricité et capacité

8 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3durée conseillée : 1 h 45calculatrice autorisée

Un transfert direct d’électronsDifficulté 1 sur 3
La pile Daniell, pièce par pièceDifficulté 1 sur 3
De la polarité à l’équation de fonctionnementDifficulté 1 sur 3
Une pile dont le sens de fonctionnement dépend du mélangeDifficulté 2 sur 3
Compter les électrons qui circulentDifficulté 1 sur 3
Les électrodes maigrissent, ou grossissentDifficulté 2 sur 3
La pile bouton d’une montreDifficulté 2 sur 3
Oxydants et réducteurs de la vie couranteDifficulté 2 sur 3

Exercices d'application

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Application : pile au citron, capacité et réactif limitant, courbes de décharge, anode sacrificielle, autonomie d’un capteur (Python), incertitudes sur la constante de Faraday

6 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 2 hcalculatrice autorisée

La pile au citronDifficulté 2 sur 3
Une pile zinc-argent jusqu’à l’usureDifficulté 2 sur 3
Deux courbes de déchargeDifficulté 2 sur 3
L’anode sacrificielle d’une coque de bateauDifficulté 2 sur 3
Python : l’autonomie d’un capteur sans filDifficulté 2 sur 3
Mesurer la constante de FaradayDifficulté 2 sur 3

Contrôle A

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Constitution et fonctionnement d’une pile, polarité, équation de fonctionnement, capacité et durée de fonctionnement

Durée : 1 hcalculatrice autorisée4 exercices indépendantsbarème sur 20

Questions de cours5 ptsDifficulté 1 sur 3
La pile bouton d’une carte électronique5 ptsDifficulté 2 sur 3
Une pile fer-cuivre5 ptsDifficulté 2 sur 3
La batterie d’une automobile5 ptsDifficulté 2 sur 3

Contrôle B

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Pile saline, inversion de polarité et critère d’évolution, autonomie d’une pile zinc-air

Durée : 1 hcalculatrice autorisée4 exercices indépendantsbarème sur 20

Automatismes4 ptsDifficulté 2 sur 3
Peut-on inverser la polarité d’une pile ?6 ptsDifficulté 3 sur 3
Dans une pile saline6 ptsDifficulté 3 sur 3
Problème : l’autonomie d’une aide auditive4 ptsDifficulté 3 sur 3

Approfondissement

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Capacité massique des métaux, état final d’une pile usée, pile de concentration, pile à combustible, résistance interne, problème ouvert

6 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 2 hcalculatrice autorisée

Pourquoi le lithium ?Difficulté 3 sur 3
Jusqu’où va une pile Daniell ?Difficulté 3 sur 3
Une pile faite de deux fois la même choseDifficulté 3 sur 3
La pile à combustible d’un autobusDifficulté 3 sur 3
Pourquoi la tension d’une pile diminue quand elle débiteDifficulté 3 sur 3
Problème ouvert : recharger un téléphone avec des pilesDifficulté 3 sur 3

Sujet type bac

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Deux exercices indépendants : la pile au lithium d’un stimulateur cardiaque, la pile de secours d’une balise de détresse

Durée : 1 h 30calculatrice autorisée2 exercices indépendantsbarème sur 20

La pile d’un stimulateur cardiaque12 ptsDifficulté 3 sur 3
La pile de secours d’une balise de détresse8 ptsDifficulté 3 sur 3