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La
défibrillation est une méthode utilisée afin de réguler le rythme
cardiaque. Elle consiste à
appliquer un « choc électrique » très bref au cœur du patient. Un
défibrillateur interne est un petit
boîtier qui est implanté dans le thorax du patient. Il est constitué de
circuits électriques alimentés
par une pile au lithium qui apporte l’énergie nécessaire à son
fonctionnement.
Cet exercice étudie le fonctionnement d’une pile au lithium dont un
schéma est présenté ci-dessous.
1. D’après les polarités des électrodes et les couples mis en jeu, écrire les réactions
électrochimiques se produisant au niveau des électrodes quand la pile délivre un courant
électrique, puis en déduire que l’équation de la réaction modélisant le fonctionnement de la
pile s’écrit :
Li(s) + MnO2(s) + H+ → Li+ + MnO2H(s).
Couples oxydant/réducteur : Li+
/Li(s) et MnO2(s)/MnO2H(s) ;
Oxydation du lithium à l'anode négative : Li(s) --> Li+ + e-
Réduction de MnO2(s) à la cathode positive : MnO2(s) + H+ +e- → MnO2H(s).
Ajouter et simplifier : Li(s) + MnO2(s) + H+ → Li+ + MnO2H(s).
2. La configuration électronique d’un atome de lithium est 1s2 2s1
. Justifier qu’un atome de lithium
donne un ion monoatomique Li
+. Préciser, en justifiant la réponse, si le lithium métallique est
un réducteur ou un oxydant.
En perdant un électron le lithium donne l'ion Li+ donc la couche électronique externe est complète ( règle du duet ).
Le lithium cède un électron, c'est un réducteur.
3. Montrer que dans la pile neuve, la quantité de matière initiale de lithium est égale à
2,1 × 10−2 mol et déterminer la quantité de matière initiale en oxyde de manganèse MnO2.
Masse de la pile : 𝑚pile = 2,9 g ;
composition massique de la pile : Li : 5 % ; dioxyde de manganèse 30 %.
Masse Li : 2,9 x0,05 =0,145 g ; quantité de matière 0,145 / M(Li) =0,145 / 6,9 =2,1 10-2 mol.
Masse MnO2 : 2,9 x0,30 =0,87 g ; quantité de matière : 0,87 / M(MnO2) =0,87 / 86,9 =1,0 10-2 mol ( en défaut).
4. En déduire le réactif limitant le fonctionnement de la pile et la composition de la pile quand
celle-ci est usée.
MnO2 est le réactif limitant.
Composition finale : Li : 1,1 10-2 mol ; Li+ : 0,010 mol ; MnO2H(s) : 0,010 mol.
5. Définir la capacité électrique 𝑄 d’une pile et calculer sa valeur maximale pour la pile au lithium
considérée.
Quantité maximale de charge électrique que la pile peut fournir.
Quantité de matière d'électron : 0,010 mol.
Q = ne- F =0,010 x96500 = 965 C.
965 / 3600 = 0,268 Ah = 268 mAh.
6. Le fabricant annonce une capacité électrique réelle de 225 mAh. Proposer une cause pour
rendre compte de l’écart entre la valeur maximale et la valeur réelle.
Une partie de l'énergie est libérée sous forme de chaleur par effet Joule.
7. En utilisant la capacité électrique donnée par le fabriquant, comparer l’énergie massique de la
pile au lithium utilisé dans le défibrillateur avec celles d’autres piles. Commenter.
Tension aux bornes de la pile U = 3,0 V.
Energie : Q U = 965 x3 = 2895 J.
Energie massique : 2895 / 2,9 ~ 1,0 103 J / g.
Soit 3 fois plus qu'une pile alcaline, 8 fois plus qu'une pile zinc-air.
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