Tester ses connaissances. Apprendre à résoudre. 1. Expression et calcul de la capacité en A h. 2. Énergie totale fournie. 3.

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César St-Amour
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1 LIVRE CHAPITRE 9 COMMENT FONCTIONNENT LES PILES ET ACCUMULATEURS? PAGE 131 à 134 Tester ses connaissances 1 : A et C. 2 : A et B. 3 : C. 4 : A et B. 5 : B et C. 6 : B. 7 : B. 8 : A et B. Les piles : Apprendre à résoudre Expression et calcul de la capacité en A h I = A ; Q max = I t = = 0,1 A h. 2. totale fournie W t = Q max E or Q max = 0,1 A h = 0, = 360 C. W t = 360 1,3 = 468 J 0,47 kj. 3. volumique W v = W t v ; v est le volume d un cylindre : v = s h = (d 2 4) h v = (10 2 ) = 3, m 3 ; W v = 468 (3, )=1, J m 3 1 W h = J et 1 cm 3 = 10 6 m 3 d où : W v = 1, ( ) = 0,4 W h cm stockée en W h, énergie massique en W h kg 1 et énergie volumique en W h cm 3. Type Alcaline Oxyde d argent Lithium stockée en W h 1,5 0,08 = 0,12 1,5 0,08 = 0,12 3 0,07 = 0,21 massique en W h kg 1 0,12 0,0015 = 80 0,12 0,0013 = 92 0,21 0,0018 =117 volumique en W h cm 3 0,12 0,44 = 0,27 0,12 0,33 = 0,36 0,21/0,50 = 0,42 2. L énergie massique ne constitue pas un critère de choix car ces piles ont une masse faible comparée à la masse de la calculatrice. En revanche l énergie stockée et l encombrement sont des critères importants. Le choix de la pile au lithium serait donc le meilleur L oxydant est le dioxyde de manganèse MnO 2 et le réducteur est le métal zinc, Zn. 2. Équations de réaction

2 A À l anode (pôle négatif) : oxydation du zinc : Zn = Zn e ; À la cathode (pôle positif) : réduction du dioxyde de manganèse : MnO 2 + H + + e = MnO(OH). 3. Équation de la réaction globale qui a lieu lors du fonctionnement de cette pile : Zn + 2MnO 2 + 2H + Zn MnO(OH) Schéma annoté de la pile e R I Cu NH 4 + NO 3 Ag Cu 2+ Ag + 2. a. Le sens de circulation des électrons dans le conducteur ohmique est l inverse de celui du courant soit du cuivre vers l argent. b. Équations des réactions aux électrodes : Oxydation : Cu (s) = Cu 2+ (aq) + 2e Réduction : Ag + (aq) + e = Ag (s) Équation de la réaction globale : Cu (s) + 2Ag + (aq) Cu2+ (aq) + 2Ag (s) Le pont salin permet la continuité du circuit électrique. La solution de sulfate de cuivre s enrichit en ions cuivre II, alors pour compenser cet excès de charge positive, des ions nitrate du pont salin passent dans cette solution. Inversement, la solution de nitrate d argent s appauvrit en ions argent, pour compenser ce défaut de charge positive, des ions ammonium du pont salin passent dans cette solution. Cette double migration des ions du pont salin assure le passage du courant entre les deux demi-piles.

3 7. Masse minimale de zinc : Zn + 4HO Zn(OH) e Quantité de matière d électrons mis en jeu : Q max F où Q max est la quantité d électricité fournie par la pile. D après la demi-équation précédente, une mole de zinc est consommée lorsque 2 moles d électrons sont mises en jeu. Donc la quantité de matière minimale de zinc consommée est Q max 2F. n(zn) = Q max 2F = 0, ( ) mol. Masse minimale de zinc consommée est m = 65,4 0, ( ) = 1 g. Masse minimale de dioxyde de manganèse : MnO 2 + H 2 O + e MnO(OH) + HO D après la demi-équation précédente, une mole de dioxyde de manganèse est consommée lorsqu une mole d électrons est mise en jeu. Donc la quantité minimale de matière de dioxyde de manganèse consommée est Q max F = 0, mol. Masse molaire du dioxyde de manganèse : M = = 87 g mol 1. Masse minimale de dioxyde de manganèse consommée : 87 0, = 2,7 g L énergie est stockée dans la batterie sous forme chimique. Valeur de cette énergie : W = Q E = = 4, J. 2. Quand la batterie fonctionne, de l énergie chimique est transférée en énergie électrique. 3. a. Transfert d énergie pendant la charge : W = = 6, J. Quantité d électricité reçue pendant la charge : Q = I t = = 120 A h. b. Rendement en : quantité d électricité : Q Q = = 0,83. en énergie : W W = 4, , = 0,71.

4 6. Moteur e I M + H 2 H 2 O Électrolyte solution acide H 3 PO 4 O 2 Électrodes 1. La nature des porteurs de charges à l extérieur de la pile sont les électrons. 2. Schéma légendé : Le courant circule du pôle + de la pile vers le pôle à l extérieur de la pile. Les électrons circulent en sens opposé. 3. a. couple H + (aq)/h 2 (g) : 2H + (aq) + 2e = H 2 (g) couple O 2 (g) /H 2 O (l) : O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e = 2H 2 O (l) b. Équation de la réaction globale : 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O (l) 4. a. Une oxydation est une perte d électrons : H 2 (g) = 2H + (aq) + 2e Le réactif qui est oxydé est le réducteur H 2, c est le «combustible» de la pile. L électrode où se produit l oxydation s appelle l anode. O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e = 2H 2 O (l) Elle cède des électrons, c est donc le pôle négatif. b. La réduction se produit à la cathode ou pôle positif.

5 Accumulateurs Lorsqu il alimente un récepteur électrique, l accumulateur est le siège d une transformation spontanée. 2. Les couples oxydant-réducteur mis en jeu sont : NiO(OH) Ni(OH) 2 : NiO(OH) + H 2 O + e = Ni(OH) 2 + HO, et Cd(OH) 2 Cd : Cd + 2HO = Cd(OH) 2 + 2e Sur l électrode de cadmium, le cadmium est oxydé ; sur l électrode constituée par un composé du nickel, il y a une réduction. L électrode siège d une oxydation, soit le cadmium, est le pôle négatif, et le composé du nickel siège d une massique : W m = 0,96 20 = 0,048 Wh g 1. volumique : W v = W V avec : V = 44, 5 3,14 10,5 2 4 = 3 853,3 mm 3 = 3,85 cm 3 W v = 0,96 3,85 = 0,25 Wh cm Il s agit d une (gain d électrons). 3. Capacité Q = = 2, C. 4. Intensité du courant constant nécessaire pour réaliser la charge rapide en 15 minutes : I = Q t = 2, (15 60) = 3,2 A. La réduction se déroule sur l électrode reliée au pôle négatif du générateur utilisé pour la charge. Pendant la charge, il y a conversion d énergie électrique en énergie chimique. 5. Durée de fonctionnement, en minutes, de cette pile : t = Q I = 2, (0,27 60) = 1, min. La réaction précédente se produit maintenant au pôle + de l accumulateur (réduction) qui était relié au pôle positif du générateur lors de la charge. 6. maximale : W = Q E = 2, , = 0,96 Wh. 13.

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