Chap4 Pile électrochimique et énergie chimique.

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Ève Milot
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1 Chap4 Pile électrochimique et énergie chimique. Items Connaissances Acquis La pile est un réservoir d énergie chimique. Lorsque la pile fonctionne, une partie de cette énergie est transférée sous d autres formes. L énergie mise en jeu dans une pile provient d une réaction chimique : la consommation de réactifs entraîne l usure de la pile. Capacités Réaliser, décrire et schématiser la réaction entre une solution aqueuse de sulfate de cuivre et de la poudre de zinc par contact direct Réaliser, décrire et schématiser la réaction entre une solution aqueuse de sulfate de cuivre et de la poudre de zinc en réalisant une pile I. Comment fabriquer une pile? DI : Les calculs citronnés ont la patate. Métal A V Métal B B A Cu Zn Al Cu +/- 0,017V -0, 916V -0,536V Zn +0,916V +/-0,07V V Al +0,536V +0,468V +/-0,068V Remarque : pour augmenter la tension, il faut associer deux piles en série en reliant la borne de la première pile à la borne + de la seconde pile. Conclusion : Une pile est constituée de deux métaux différents (appelé électrodes) en contact avec une solution ionique (appelée électrolyte). Exercices : 10p91 : reconnaitre la constitution d une pile. Le bon croquis est le b car lui seul représente un système avec deux électrodes de métaux différents. 22p94 : La pile de Bagdad. Le vinaigre contenant l acide acétique est obtenu naturellement à partir du vin, déjà élaboré à cette époque. L objet de Bagdad possède alors les éléments d une pile : une électrode en cuivre, isolée d une électrode en fer par de l asphalte, et un électrolyte : le vinaigre. N.B. On a vérifié que la pile de Bagdad peut fonctionner avec comme électrolyte du jus de raisin, du vinaigre ou de l acide citrique. Mais il est plus vraisemblable que l objet de Bagdad ait servi en galvanoplastie, par exemple pour argenter du cuivre. Page 1 sur 5

2 23p94 : Une pile at home. Les bouchons de liège servent à isoler le fond de la casserole en cuivre du fond de la bassine galvanisée dans laquelle on la pose, avant de verser le jus de citron qui sera l électrolyte. Le multimètre permettra d identifier les bornes de la pile et de mesurer sa «force électromotrice». 25p94: Qui a raison? Pour obtenir la tension la plus élevée, il faut mettre plusieurs piles en série, avec les couples de métaux les plus «efficaces». Pour obtenir une intensité élevée, il faut des électrodes de grandes surfaces en contact avec l électrolyte (le citron), et rapprochées. On utilisera donc des plaques de cuivre et de zinc, pour réaliser 3 piles avec les 3 citrons, reliées en série avec des fils de cuivre. N.B. Un petit buzzer fonctionne avec 2 piles (cuivre-zinc-citron) en série, chacune délivrant 0,95 V, pour une intensité de 200 ma, avec des plaques métalliques distantes de 2 cm. II. Pile sulfate de cuivre-zinc. AE : Pile cuivre-zinc. Expérience n 1: Une transformation chimique peut elle produire de l énergie. Introduisez dans 1 tube à essai environ 5 cm d une solution de sulfate de cuivre. Relevez la température de la solution: T1 = 22,4 C Introduisez délicatement de la poudre de zinc dans le tube à essai et agitez. Relevez à nouveau la température de la solution : T2 = 31,5 C Schémas de l expérience et observations : Etat initial Etat final Observations : 1) La température augmente C C 2) La solution bleue devient plus claire 3) Un dépôt rouge-orange se forme sur le zinc Questions : Quelles observations montrent qu il s agit d une transformation chimique? - La couleur bleue (ions Cu 2+ ) disparait. - Un dépôt rouge (de cuivre) apparait Quels sont les réactifs et les produits? - Réactifs : ions Cu 2+ métal Zinc - -produits : métal Cuivre et ions Zinc (Zn 2+ ). Que peut-on déduire de la variation de la température? La réaction a produit de l énergie thermique. Page 2 sur 5

3 CONCLUSION Le sulfate de cuivre réagit avec le zinc : l ensemble des réactifs possèdent de l énergie chimique Lors de la transformation chimique, une partie de cette énergie est transférée à l extérieur sous forme d énergie thermique. Expérience n 2: Plongez une lame de zinc et une lame de cuivre dans un bécher contenant une solution de sulfate de cuivre. Reliez les plaques métalliques (électrodes) aux bornes d un voltmètre. Ajoutez une résistance et un ampèremètre en série entre les deux plaques métalliques (Calibre 200 ma). Notez la valeur de l intensité. Schémas et mesures : Cu (+) A V Zn (-) Mesures : U = 0,86V I= 19.6mA Cu 2+ Questions : Pourquoi peut-on dire que le montage est un générateur? Le montage est un générateur qui produit une tension et génère un courant dans un circuit fermé. Quelles est la borne négative? Lame de Zinc Quelle est la borne positive? Lame de cuivre Quelle forme d énergie est fournie par ce générateur? Énergie électrique CONCLUSION : Une pile électrochimique comporte deux électrodes généralement métalliques, plongeant dans une solution ionique Lorsque la pile fonctionne, il se produit une transformation chimique. Une partie de l énergie chimique des réactifs est transférée au circuit sous forme d énergie électrique, une autre partie est transférée à l extérieur sous forme d énergie thermique. Energie chimique PILE Energie électrique Energie thermique Page 3 sur 5

4 Conclusion : Les ions cuivre (II) et le Zinc réagissent au cours d une transformation chimique qui libère de l énergie thermique. Bilan : Zinc + ions cuivre (II) ions zinc (II) + cuivre Equation bilan : Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu Une pile est un réservoir d énergie qui transforme de l énergie chimique en énergie électrique et en énergie thermique (perdue pour l utilisateur). Exercices : 11p91 : décrire l origine de l énergie électrique. 1. Les électrons se déplacent du zinc vers le cuivre. 2. Des atomes de zinc se transforment en ions zinc. 3. Les électrons proviennent de la transformation atome de Zn ions Zn p92 : De l énergie dans tous les sens. 1. Pendant la charge, l accumulateur reçoit de l énergie électrique. 2. Cette énergie est stockée et convertie dans la «pile» sous forme d énergie chimique. 19p93 : Quel est le meilleur choix? 1. Tension la plus élevée : pile au lithium. 2. Tension la plus constante dans le temps : pile au mercure. 3. Pile la moins performante : la saline (Leclanché). 21p93 : Une réaction avec le fer. 1. On observe des modifications d aspect : changements de couleur de la solution et de la poudre. 2. Les réactifs sont les ions cuivre et les atomes de fer. 3. Pour les produits, la couleur rouge du dépôt correspond à des atomes de cuivre ; la couleur verdâtre de la solution est due aux ions fer (confirmer avec test de la soude). 4. La transformation chimique libère de l énergie thermique. 5. L élève doit dessiner un récipient contenant une solution de sulfate de cuivre dans lequel trempent une plaque de cuivre et une plaque de fer. Activité3p84 : Pourquoi une pile s use-t-elle? 1. Dans la pile neuve, le cylindre de zinc est intact ; sa masse vaut 14,9 g. 2. Dans la pile usagée, le cylindre de zinc est très usé ; sa masse vaut 10,8 g. 3. Du zinc a été consommé pendant le fonctionnement de la pile. 4. Ce test met en évidence les ions zinc (N.B. au niveau Collège ; voir fiche méthode p. 85 du manuel). 5. Pendant le fonctionnement de la pile, du zinc (des atomes) a été transformé en ions zinc. 6. Une pile s use car, pendant son fonctionnement, la transformation chimique dont elle est le siège consomme une partie des réactifs qu elle contient. Conclusion : L usure d une pile est due à la consommation des réactifs de la transformation chimique. Page 4 sur 5

5 Exercices : 12p91 : reconnaitre l origine d une pile usée. 1. Ordre chronologique : b antérieur à a, par comparaison des tensions. 2. Entre l état b et l état a, il y a eu consommation de zinc et d ions cuivre, donc usure de la pile. 13p91 : Mesurer la consommation d un réactif. Différence de masses : 14,9 9,6 = 5,3 g ; il y a eu consommation de zinc lors des transformations chimiques dans la pile en fonctionnement. 14p92 : Exercice résolu. Exercice résolu dans le manuel 17p92 : la pile s use quand on s en sert. 1. Durée théorique : t = 18,0 /1, = 18, s = 5 h. III. Bilan. 2. Hypothèse : le zinc constitue le réactif limitant des transformations chimiques. 18p93 : Une pile à l agent. 1. D après les bornes de l ampèremètre, l argent est la borne + et le cuivre la borne. 2. Sens du courant : de l argent vers le cuivre ; sens des électrons : du cuivre vers l argent. 3. a. Des atomes de cuivre disparaissent et des ions cuivre se forment. b. Les électrons proviennent de la transformation atome Cu ions Cu a. Les ions Ag+ captent un électron pour se transformer en atomes Ag. b. Des électrons sont libérés par la plaque de cuivre, tandis que d autres sont captés par le fi l d argent, d où le sens de mouvement des électrons et le sens du courant. Page 5 sur 5

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