Chapitre 5 : La pile électrochimique

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1 Chapitre 5 : La pile électrochimique Quel point commun ont ces appareils? Ils fonctionnent grâce à des piles ou des accumulateurs (piles rechargeables). 1/ Quel(s) type(s) d énergie une pile fournit-elle? Electrique et thermique. 2/ D après toi, d où vient l énergie fournie par une pile? Elle provient d une transformation chimique. 3/ Pourquoi une pile s use-t-elle? Une pile s use car des réactifs sont consommés lorsqu elle débite du courant. 1/ Qu est-ce qu un pile? A/ Un peu d histoire 2 acteurs principaux : Luigi Galvani, anatomiste biologiste italien et Alessandro Volta, physicien italien. EXPERIENCES DE GALVANI (1791) Luigi Galvani réalisait des expériences d anatomie sur des grenouilles. Un jour, il avait suspendu, avec un fil de cuivre, un cadavre de grenouille sur son balcon. Au moment où le vent se fit sentir, le corps de la grenouille toucha la barre de fer du balcon et se mit à tressaillir comme s il était soumis à un choc électrique. Galvani en conclut l existence d une «électricité animale» provenant des grenouilles. INTERPRETATION DE VOLTA (1800) Alessandro Volta pensait autrement. Pour lui, la grenouille de Galvani se mettait à sursauter à cause d une électricité extérieure. Après plusieurs expériences, il s aperçut qu en plaçant deux métaux différents (cuivre et zinc par exemple) au contact d une solution telle que l eau salée, il se produisait de l électricité.

2 1/ Dans quelle famille met-on le cuivre, le zinc, le fer? Des métaux. 2/ Galvani et Volta étaient-ils d accord sur l origine de l électricité qui secoue la grenouille? Justifier Pour Galvani, l électricité est d origine animale alors que pour Volta, elle est d origine métallique (chimique). 3/ Représenter schématiquement quelques éléments de la pile de volta? C est un empilement de disques de zinc, de cuivre et de carton imbibé d eau salée. 4/ D après toi, d où vient le terme pile? Il vient de l empilement de disques de métaux et de mouillettes d eau salée. = La pile de Volta n a surtout qu un aspect historique : Elle n a pas beaucoup d utilité, s use rapidement même sans être utilisée. Elle produit un gaz inflammable (H2) et des ions hydroxyde HO -. Elle servira aux biologistes pour découvrir les secrets de la vie et sera à l origine du moteur électrique. B/ Activité documentaire : «C est pas sorcier : les piles» 1. En France, on consomme plus de 870 milliers / millions de tonnes de pile par an (càd. 5 / 15 piles par français). 2. La toute première pile a été inventée en 1800 / 1900 par l ingénieur Alessandro Volta / André-Marie Ampère. 3. Il s agissait d un empilement de disques de zinc / fer et de cuivre / plomb séparés par des cartons imbibés d eau sucrée / salée. 4. En 1860 / 1960 apparaît le premier accumulateur au plomb / lithium. 5. Parmi toutes les piles recyclées, 5 à 10 % / 10 à 15 % sont encore neuves. 6. Les 2 pièces d une pile qui ont tendance à attirer ou donner des électrons s appelle les arthropodes / électrodes. 7. La borne «-» d une pile, appelée cathode / anode, à tendance à donner / attirer les électrons. 8. La borne «+» d une pile, appelée cathode / anode, à tendance à donner / attirer les électrons.

3 9. L ectophyte / électrolyte est un bain qui contient des ions / électrons positifs et négatifs. 10. La pile s arrête de fonctionner lorsque la cathode / l anode est totalement désagrégée. 11. La différence entre pile saline et alcaline est le type de cathode / anode / solution utilisée. 12. Il existe aussi les piles au mercure / lithium, plus performante mais aussi plus chères. 13. Plus une pile est grosse plus elle est puissante / peut fournir de l électricité longtemps. 14. Une pile peut-être conservé en moyenne 2 à 3 / 5 à 7 / 10 à 15 ans. 15. Plus une pile est déchargée, plus sa tension est faible / élevée. 16. Plusieurs piles reliées entre elles / accumulateurs reliés entre eux forment une batterie. 17. Malheureusement aujourd hui, seulement 10 / 30 / 50 % des piles sont recyclées. 18. Aujourd hui en France, les piles au mercure / plomb / cadmium sont interdites (sauf pour les piles «boutons»). BILAN : Une pile est donc composée de : 2 métaux différents appelées électrodes. Un liquide ionique conducteur reliant ces 2 électrodes appelé électrolyte. 2/ Fabrication de piles A/ Expérience n 1 : La pile au citron Electrolyte : Citron (son jus) Electrode n 1 : clou en fer Electrode n 2 : Pièce de monnaie en cuivre Pour mesurer la tension : 2 pinces crocos, 2 fils, 1 voltmètre. Borne + : Pièce de cuivre (cathode) Borne - : Clou en fer (anode) Tension : + 0,8 V Electrolyte : jus de citron (ions H +, magnésium Mg 2+, potassium K + ) Si on inverse les bornes de la pile, l affichage du voltmètre est de - 0,8 V. Cela nous permet donc de savoir quelle sont les bornes + et -. B/ Expérience 2 : Pile cuivre/ zinc/ sulfate de cuivre Electrolyte : Sulfate de cuivre Electrode n 1 : Zinc Electrode n 2 : Cuivre Pour mesurer la tension : 2 pinces crocos, 2 fils, 1 voltmètre.

4 Borne + : Cuivre (cathode) Borne - : Zinc (anode) Tension : + 0,9 V Electrolyte : Sulfate de cuivre (Cu 2+ + SO4 2- ) C/ Expérience 3 : Couplage de 2 piles Associe-toi avec un autre groupe, de façon à avoir deux «piles». Associe ces 2 piles en série. Qu observes-tu? La DEL s allume D après toi, quel est l intérêt de relier deux «éléments»? Cela permet d avoir une plus grande tension et plus électricité produite C/ D autres piles

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6 Type Saline Alcaline Pole + MnO 2 / C MnO 2 / C Pole - Zinc Zinc Electrolyte Chlorure d ammonium Hydroxyde de potassium Durée de vie 22 h 1,5 V 55 h 1,5 V Lithium MnO 2 Lithium Sels de lithium 1000 h 3 V Tension utilisation Avantage Appareils peu gourmands (réveils, jouets, télécommande Appareils gourmands (appareil photo, lecteur MP3, voiture télécommandée Appareils peu gourmands (pace maker, montres, calculatrice plate ) Prix (lot de 10) Pas chère 1 Durée de vie + alimentation d appareils exigeants Longue durée de vie à petits courants- bon rendement 2,5 5 1/ Quels sont les 3 types de piles couramment rencontrées dans le commerce? Alcaline, saline et au lithium. 2/ Quelles différences existent entre une pile saline et une pile alcaline? C est surtout la nature de l utilisation de la pile et sa durée de vie (différence d électrolyte 3/ Pourquoi les piles salines sont-elles encore souvent utilisées? Car elles ne sont pas chères et suffisent largement pour alimenter des petits appareils. 4/ D après toi, pourquoi les électrolytes sont-ils sous forme de gel? Pour éviter, si la pile s ouvre, qu elle laisse écouler du liquide. 5/ Il existe des piles salines carrées de 4,5 V. D après toi, comment sont-elles faites? C est une association en série de 3 piles salines de 1,5 V. 6/ Complète le tableau ci-dessous pour comparer toutes les piles vues jusqu à maintenant : Electrode n 1 (pôle -) Electrode n 2 (pôle +) Electrolyte La grenouille de Galvani Fer Cuivre Liquide dans la grenouille (composé de sels minéraux) La pile de Volta Zinc Cuivre Eau salée La pile au citron Zinc Cuivre Jus de citron Pile alcaline Zinc MnO 2 / C Chlorure d ammonium Pile saline Zinc MnO 2 / C Hydroxyde de potassium Pile au lithium MnO 2 Sels de lithium

7 3/ D où provient l énergie d une pile? A/ Observations sur la pile de laboratoire. Indications : Les ions sulfate SO4 2- sont incolores. Les ions Zn 2+ sont incolores. Les ions Cu 2+ sont bleus. Le métal cuivre Cu est de couleur orangée. Lame de Zinc Zn Observation : Il est rongé Explication : des atomes de zinc Zn disparaissent. Ils perdent 2 électrons et les donnent aux ions Cu 2+. Il apparait donc, dans la solution des ions Zn 2+ Zn = Zn e- Lame de cuivre Cu Observation : Il reste intact. Le dépôt orangé de cuivre ne provient donc pas de là. C est au niveau de cette lame que les 2e- du zinc arrivent, via le fil électrique (et oui, les électrons ne circulent pas dans la solution, mais dans un conducteur (métal)) Circulation d électrons dans le fil = courant électrique C est donc une transformation chimique qui permet la production d électricité : Solution de Sulfate de cuivre Observation : La solution se décolore. Un dépôt rouge de cuivre apparaît au fond. Explication : des ions Cu 2+ disparaissent et se transforment en métal Cu. Ils gagnent 2 électrons Cu e- = Cu Réactifs Zinc Zn Ions Cu 2+ Produits Ions Zn2+ Cuivre Cu L équation chimique de la transformation s écrit : Réactif 1 + Réactif 2 = Produit 1 + Produit 2 Cu 2+ + Zn = Cu + Zn 2+

8 B/ TP : Vérification de la transformation chimique + mise en évidence d une autre énergie. 1/ Mesure la température de la solution de sulfate de cuivre : T initiale = 20 C 2/ Verse une spatule de poudre de zinc et agite. Note toutes tes observations au moment où tu verses et agite. Vérifie si cela corrobore avec les explications précédentes : Couleur orangée qui apparait : du cuivre se forme Couleur bleue de la solution disparait : Ions Cu 2+ qui disparaissent. 3/ Mesure la température maximale atteinte : T finale = 30 C 4/ Quel type d énergie a été produit lors de la transformation chimique? C est de l énergie thermique On souhaite mettre en évidence les ions Zn 2+ formés lors de cette transformation chimique. 5/ Quel détecteur (vu au chapitre 3) vas-tu utiliser? C est de la soude. On attend un précipité blanc pâteux. 6/ Réalise l expérience. Quel résultat obtiens-tu? Conclus. On obtient bien un précipité blanc présence de Zn 2+ 7/ Complète le diagramme énergétique simplifié de la pile : Réservoir d énergie chimique de la pile Energie chimique Pile Energie thermique Energie électrique Réserve d énergie chimique de la pile 8/ Au bout d un certain temps d utilisation, la pile n arrive plus à débiter de courant. A votre avis pourquoi? 2 hypothèses sont attendues.. Si la pile n arrive plus à débiter de courant c est que : Soit il n y a plus de zinc Zn pour fournir les électrons.

9 Soit il n y a plus d ions cuivre Cu 2+ pour récupérer les électrons. La pile s arrêtera lorsqu un des deux réactifs Zn ou Cu 2+ aura disparu. C/ Les vraies piles Le problème de la pile précédente est qu elle s use même s il n y a pas d appareils. On fabrique donc des compartiments : chaque compartiment est relié par des solutions salines et des fils électriques afin de former un circuit fermé. La pile ne s usera que si on ferme le circuit électrique. La pile Daniell (1836) est l amélioration apportée à la pile Zinc/Cuivre/Sulfate de cuivre Au niveau du pont salin : Il permet de fermer le circuit électrique. Il est constitué d un électrolyte conducteur qui ne réagit pas. Vu que des ions positifs Cu 2+ disparaissent dans le compartiment «cuivre», des ions négatifs (ici Cl -, mais cela peut être aussi NO 3 - ) viennent dans la solution pour assurer l électro neutralité. Vu que des ions positifs Zn 2+ apparaissent dans le compartiment «zinc», des ions positifs (ici K + ) viennent dans la solution pour assurer l électro neutralité.

10 Galvani découvre que la contraction du muscle se produit chaque fois que le nerf et le muscle sont en contact par l intermédiaire de métaux différents. Volta découvre que c est le contact entre les deux métaux différents qui crée l électricité. Pile Daniell 3/ Bilan général Une pile est un réservoir d énergie chimique. Elle tire son énergie d une transformation chimique. Pour la pile vue précédemment : Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu Une pile s use car les réactifs disparaissent : Elle s arrête de fonctionner quand un(ou les) réactif(s) a(ont) totalement disparu. Une pile s arrête de fonctionner quand un des deux réactifs a disparu. Energie électrique Energie chimique des réactifs Pile Energie thermique Energie chimique des produits La pile est un convertisseur d énergie. Elle ne délivre de l énergie que si elle est reliée à un circuit électrique fermé. PS : A la fin, les produits ont aussi une énergie chimique, mais plus faible. Exercices : 4, 8, 10, 11, 21 p 91-93

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13 Au niveau du pole (Compartiment «zinc»): L électrode de zinc se désagrège. Des atomes de zinc Zn se transforment en ions Zn 2+ et libèrent 2e- qui partent dans le circuit. Au niveau du pole + (compartiment «cuivre»): L électrode de cuivre grossit. Des ions cuivre Cu 2+ de la solution se transforment en atomes de cuivre Cu en gagnant les 2e- fournis par le zinc. Au niveau du pont salin : Il permet de fermer le circuit électrique. Il est constitué d un électrolyte conducteur qui ne réagit pas. Vu que des ions positifs Cu 2+ disparaissent dans le compartiment «cuivre», des ions négatifs (ici Cl -, mais cela peut être aussi NO 3 - ) viennent dans la solution pour assurer l électro neutralité. Vu que des ions positifs Zn 2+ apparaissent dans le compartiment «zinc», des ions positifs (ici K + ) viennent dans la solution pour assurer l électro neutralité.