Karamö, le prof virtuelLeçon 26 sur 26
La pile alcaline et la pile au lithium
Je sais décrire la pile alcaline et la pile au lithium, écrire leurs réactions, les comparer à la pile saline et choisir la bonne pile pour chaque usage.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire la constitution de la pile alcaline et écrire ses réactions aux électrodes
- Expliquer les avantages de la pile alcaline sur la pile saline
- Décrire la pile au lithium, expliquer sa tension de 3 V et sa légèreté
- Distinguer pile au lithium et accumulateur lithium-ion, et faire des calculs de capacité
Avant de commencer : La pile saline (couple Zn/MnO₂, dépolarisant, défauts), les générateurs électrochimiques (f.é.m., capacité, pile et accumulateur), les calculs avec Q = I × t et F = 96 500 C/mol.
1Je découvre
Au marché Niger, à Conakry, Fanta doit acheter des piles pour la télécommande de la télévision, la lampe torche de son père et la petite montre de son frère Alpha. Le vendeur lui montre trois sortes de piles : des « salines » bon marché, des « alcalines » plus chères qui « durent plus longtemps », et de petites piles rondes et plates, des « piles bouton au lithium », marquées « 3 V ».
Fanta hésite. Les salines et les alcalines portent toutes les deux l'indication 1,5 V : pourquoi les alcalines coûtent-elles plus cher ? Et pourquoi une pile aussi petite que la pile bouton donne-t-elle deux fois plus de tension ? Enfin, le téléphone de sa mère contient une « batterie lithium-ion » : est-ce la même chose que la pile bouton au lithium ?
Qu'est-ce qui différencie une pile alcaline et une pile au lithium d'une pile saline, et comment choisir la bonne pile ?
2Je comprends
1. La pile alcaline
Mêmes réactifs que la pile saline. La pile alcaline utilise le même couple : le zinc est le réducteur (pôle −) et le dioxyde de manganèse MnO2 est l'oxydant (pôle +). C'est pourquoi sa f.é.m. est la même : 1,5 V.
Ce qui change : l'électrolyte. L'électrolyte est une solution concentrée d'hydroxyde de potassium KOH (la potasse), une base : le milieu est alcalin (basique), d'où le nom de la pile. Cet électrolyte conduit beaucoup mieux le courant que le chlorure d'ammonium.
Ce qui change : la disposition. La structure est « inversée » par rapport à la pile saline :
- au centre, du zinc en poudre mélangé à l'électrolyte gélifié, avec une pointe métallique qui collecte les électrons : c'est le pôle négatif (relié au fond plat de la pile) ;
- autour, contre la paroi, le mélange dioxyde de manganèse + graphite : c'est le pôle positif ;
- à l'extérieur, un boîtier en acier, relié au pôle + (le bout avec le téton), qui ne participe pas à la réaction ;
- un séparateur poreux entre la poudre de zinc et le MnO2.
- électrolyte : chlorure d'ammonium (légèrement acide)
- zinc = godet extérieur, il sert de boîtier
- MnO₂ au centre, autour de la tige de graphite
- le boîtier en zinc s'use et peut se percer
- f.é.m. 1,5 V
- électrolyte : hydroxyde de potassium (basique)
- zinc en poudre au centre, boîtier en acier
- MnO₂ contre la paroi, autour du zinc
- le boîtier en acier ne réagit pas : moins de fuites
- f.é.m. 1,5 V
Réactions (forme simplifiée).
- Pôle − : Zn + 2OH^- → ZnO + H2O + 2e^-
- Pôle + : MnO2 + H2O + e^- → MnO(OH) + OH^- (à multiplier par 2)
- Bilan : Zn + 2MnO2 + H2O → ZnO + 2MnO(OH)
Vérification du bilan : Zn 1 = 1 ; Mn 2 = 2 ; O 4 + 1 = 1 + 4 ; H 2 = 2 ; charges 0 = 0. Les ions OH^- consommés au pôle − sont régénérés au pôle + : ils n'apparaissent pas dans le bilan.
Avantages de la pile alcaline :
- une capacité nettement plus grande à taille égale : elle dure plus longtemps ;
- le zinc en poudre offre une grande surface de réaction : elle supporte bien les fortes intensités (jouets à moteur, appareils photo, radios puissantes) ;
- la tension reste plus stable pendant la décharge ;
- elle coule beaucoup moins, car le boîtier en acier ne s'use pas, et elle se conserve plus longtemps.
Inconvénient : elle est plus chère. Pour une télécommande, qui consomme très peu, une pile saline suffit ; pour une lampe torche utilisée tous les soirs, l'alcaline est souvent plus économique à l'usage. Sur les étiquettes, les piles alcalines portent la lettre L : LR6 pour le format moyen (la saline correspondante est la R6).
2. La pile au lithium
Le lithium, un métal exceptionnel. Le lithium (Li) est le métal le plus léger : sa masse molaire est M = 6,9 g/mol et il flotte même sur l'eau. C'est aussi un réducteur très puissant, bien plus que le zinc : il cède très facilement son électron.
Li → Li^+ + e^-
Conséquence : associé à un oxydant comme MnO2, il donne une pile de f.é.m. d'environ 3 V, le double d'une pile saline ou alcaline.
Constitution (pile bouton lithium-dioxyde de manganèse, la plus courante) :
- pôle − : lithium métallique ;
- pôle + : dioxyde de manganèse ;
- électrolyte : un sel de lithium dissous dans un solvant organique, et surtout pas dans l'eau, car le lithium réagit vivement avec l'eau.
Réactions (forme simplifiée).
- Pôle − : Li → Li^+ + e^-
- Pôle + : MnO2 + Li^+ + e^- → LiMnO2
- Bilan : Li + MnO2 → LiMnO2
Avantages : tension élevée (3 V), grande capacité pour une très petite masse, très faible autodécharge (elle se conserve plusieurs années), fonctionnement correct au froid. Usages : montres, calculatrices, balances de cuisine, télécommandes de voiture, clés électroniques, cartes mères d'ordinateurs.
Sécurité : une pile bouton avalée par un jeune enfant peut provoquer des brûlures internes graves en quelques heures. Il faut les ranger hors de portée des enfants et consulter immédiatement en cas d'ingestion.
3. Pile au lithium ou accumulateur lithium-ion ?
| Pile au lithium | Accumulateur lithium-ion | |
|---|---|---|
| Rechargeable | non | oui, des centaines de fois |
| Pôle − | lithium métallique | graphite contenant des ions lithium |
| Tension | environ 3 V | environ 3,6 à 3,7 V |
| Usages | montre, calculatrice | téléphone, ordinateur portable, lampe solaire, moto électrique |
Dans un accumulateur lithium-ion, les ions Li^+ font la navette entre les deux électrodes : dans un sens pendant l'utilisation, dans l'autre pendant la recharge. Il ne faut jamais percer, écraser, surchauffer (au soleil sur le tableau de bord d'un taxi, par exemple) ni utiliser une batterie gonflée : elle peut prendre feu.
4. Pourquoi le lithium est-il si « léger » en électricité ?
Méthode
Pour comparer la capacité massique de deux métaux réducteurs :
- J'écris la demi-équation d'oxydation de chaque métal (Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ ; Li → Li⁺ + e⁻).
- Pour 1 g de métal, je calcule n(métal) = 1 / M.
- J'en déduis n(e⁻) avec les coefficients de la demi-équation.
- Je calcule Q = n(e⁻) × 96 500, puis je convertis en A·h (÷ 3 600).
- Je compare les résultats.
Exemple
Quelle quantité d'électricité peut fournir 1 g de lithium ? Et 1 g de zinc ? (Li = 6,9 ; Zn = 65 g/mol ; F = 96 500 C/mol)
Lithium : n(Li) = 1 / 6,9 ≈ 0,145 mol ; n(e⁻) = n(Li) ≈ 0,145 mol.
Q = 96 500 / 6,9 ≈ 13 986 C, soit environ 3,89 A·h.
Zinc : n(Zn) = 1 / 65 ≈ 0,0154 mol ; n(e⁻) = 2 × n(Zn) ≈ 0,0308 mol.
Q = 2 × 96 500 / 65 ≈ 2 969 C, soit environ 0,82 A·h.
À masse égale, le lithium fournit environ 13 986 / 2 969 ≈ 4,7 fois plus d'électricité que le zinc.
Exemple
Une pile alcaline LR6 contient 3,9 g de zinc pouvant réagir (MnO₂ en excès). Calculer sa capacité et sa durée de fonctionnement dans une lampe qui consomme 0,5 A.
n(Zn) = 3,9 / 65 = 0,06 mol ; n(e⁻) = 0,12 mol.
Q = 0,12 × 96 500 = 11 580 C ≈ 3,2 A·h.
t = Q / I = 11 580 / 0,5 = 23 160 s, soit 6 h 26 min.
5. Choisir la bonne pile
| Besoin | Pile conseillée |
|---|---|
| appareil qui consomme très peu (télécommande, horloge murale) | saline ou alcaline |
| appareil qui consomme beaucoup (lampe torche, jouet à moteur, radio) | alcaline, ou accumulateurs rechargeables |
| petit appareil de longue durée (montre, calculatrice) | pile bouton au lithium |
| appareil rechargé chaque jour (téléphone) | accumulateur lithium-ion |
Toutes ces piles contiennent des métaux et des produits chimiques : on ne les brûle pas, on ne les jette pas dans la nature, on les rapporte dans un point de collecte quand il en existe.
3Je retiens
Je retiens
Pile alcaline : même couple que la saline (Zn pôle −, MnO₂ pôle +), f.é.m. 1,5 V, électrolyte basique KOH.
Zinc en poudre au centre, boîtier en acier : plus grande capacité, supporte les forts courants, fuit moins, mais plus chère.
Bilan alcaline : Zn + 2MnO₂ + H₂O → ZnO + 2MnO(OH).
Pile au lithium : Li pôle − (Li → Li⁺ + e⁻), MnO₂ pôle +, électrolyte non aqueux ; f.é.m. d'environ 3 V.
Le lithium est le métal le plus léger et un réducteur très puissant : forte tension, grande capacité par gramme.
Pile au lithium : non rechargeable ; accumulateur lithium-ion : rechargeable (téléphones, 3,6 à 3,7 V).
4Erreurs fréquentes
- Croire que la pile alcaline a une tension plus grande que la saline : les deux font 1,5 V ; l'alcaline a une plus grande capacité.
- Confondre pile au lithium et batterie lithium-ion : la première ne se recharge pas ; la recharger est dangereux.
- Oublier que 1 mol de lithium ne libère qu'une mole d'électrons (Li⁺), alors que 1 mol de zinc en libère deux (Zn²⁺).
- Penser qu'on peut utiliser de l'eau comme électrolyte dans une pile au lithium : le lithium réagit vivement avec l'eau.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie et complète : dans la pile alcaline, le pôle négatif est le …, le pôle positif est le …, et l'électrolyte est l'… de potassium. Sa f.é.m. vaut … V.
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Le pôle négatif est le zinc (en poudre), le pôle positif est le dioxyde de manganèse, et l'électrolyte est l'hydroxyde de potassium. Sa f.é.m. vaut 1,5 V.
2Exercice 2
Cite trois avantages de la pile alcaline sur la pile saline, et un inconvénient.
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Avantages : une plus grande capacité (elle dure plus longtemps) ; elle supporte mieux les fortes intensités grâce au zinc en poudre ; elle coule moins car son boîtier en acier ne réagit pas (on peut aussi citer : tension plus stable, meilleure conservation). Inconvénient : elle coûte plus cher.
3Exercice 3
Écris les demi-équations et l'équation-bilan de la pile au lithium-dioxyde de manganèse. Pourquoi sa f.é.m. est-elle plus grande que celle d'une pile saline ?
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Pôle − : Li → Li^+ + e^- ; pôle + : MnO2 + Li^+ + e^- → LiMnO2 ; bilan : Li + MnO2 → LiMnO2. Le lithium est un réducteur beaucoup plus puissant que le zinc : il cède ses électrons beaucoup plus facilement, ce qui donne une f.é.m. plus grande (environ 3 V au lieu de 1,5 V).
4Exercice 4
Pour chaque appareil, choisis le générateur le mieux adapté et justifie : a) une montre ; b) un téléphone portable ; c) une lampe torche utilisée chaque soir pendant les coupures de courant.
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a) Montre : pile bouton au lithium, petite, légère, de longue durée et à tension stable.
b) Téléphone : accumulateur lithium-ion, rechargeable chaque jour, léger, de forte capacité.
c) Lampe torche utilisée chaque soir : piles alcalines (grande capacité, bonne tenue aux courants élevés) ou des accumulateurs rechargeables ; les salines s'useraient vite.
5Exercice 5
(Type BEPC) La montre d'Alpha fonctionne avec une pile bouton au lithium qui contient 0,138 g de lithium pouvant réagir ; le dioxyde de manganèse est en excès.
a) Écris la demi-équation au pôle négatif. Pourquoi l'électrolyte ne contient-il pas d'eau ?
b) Calcule la quantité de matière de lithium et la quantité d'électricité maximale que peut débiter la pile. Exprime-la aussi en mA·h.
c) La montre consomme un courant de 10 µ A (1 µ A = 10-6 A). Calcule la durée de fonctionnement en secondes, puis en années (1 an ≈ 3,15 × 107 s).
d) Quelle masse de zinc faudrait-il dans une pile au zinc pour fournir la même quantité d'électricité ? Conclus.
Données : Li = 6,9 ; Zn = 65 g/mol ; F = 96 500 C/mol.
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a) Li → Li^+ + e^-. Le lithium réagit vivement avec l'eau : un électrolyte aqueux détruirait l'électrode et serait dangereux.
b) n(Li) = 0,1386,9 = 0,02 mol ; n(e^-) = 0,02 mol.
Q = 0,02 × 96 500 = 1 930 C. En A·h : 1 9303 600 ≈ 0,536 A·h, soit environ 536 mA·h.
c) t = QI = 1 93010 × 10-6 = 1,93 × 108 s. En années : 1,93 × 1083,15 × 107 ≈ 6,1 ans.
d) Il faut n(e^-) = 0,02 mol, donc n(Zn) = 0,01 mol et m(Zn) = 0,01 × 65 = 0,65 g. Il faudrait près de 5 fois plus de zinc (0,650,138 ≈ 4,7) : pour une montre, où la place et la masse comptent, le lithium est bien plus avantageux.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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