D où vient l énergie fournie par une pile électrochimique?

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1 D où vient l énergie fournie par une pile électrochimique? Je me souviens On a appris en troisième que le courant électrique est un déplacement concerté d électrons dans les conducteurs métalliques ; il est provoqué par une tension électrique, différence d état entre les deux bornes de la pile. Je découvre Document 1 : La découverte des piles Bien que Alessandro Volta soit l'inventeur de la première pile, d'autres chercheurs avant lui l'ont influencé. Un des chercheurs qui influença le plus Alessandro fut Luigi Galvani, professeur d'anatomie à l'université de Bologne. Celui-ci étudiait l'effet de décharge produite par un générateur sur des grenouilles mortes. Les expériences de Galvani démontraient que les grenouilles avaient des contractions musculaires lorsque l'on faisait passer dans le corps de celles-ci un courant électrique produit par une machine électrostatique. Ensuite, après plusieurs expériences, il découvrit que le générateur n'était qu'un accessoire pour que les muscles de la grenouille se contractent. Les muscles se contractaient uniquement au contact de deux morceaux de métal. Ses expériences démontraient aussi que la grenouille ne réagissait pas de la même façon au contact de tous les métaux. En effet, il remarqua que la grenouille avait de très légères contractions lorsque l'on utilisait un même métal pour relier les deux bouts de la grenouille et que ces mêmes contractions étaient nettement plus prononcées lorsque les métaux étaient différents. Après plusieurs essais, il conclut que les contractions étaient optimales lorsque la grenouille était reliée par un fil de cuivre et un fil de zinc. Toutes ces expérimentations l'amenèrent à la conclusion que l'électricité qui faisait bouger la grenouille était contenue à l'intérieur de celle-ci. Volta s'intéressa aussitôt aux expériences de Galvani, et il recommença chacune d'elles exactement comme Galvani les avait faites. Après maintes observations, Volta rejeta les conclusions émises par Galvani; il démontra que les convulsions de la grenouille n'étaient pas le produit de l'électricité contenu à l'intérieur de la grenouille mais plutôt le résultat d'une source de courant extérieur. Il émit donc l'hypothèse que l'électricité était générée par les deux plaques de métal. Ses plaques doivent alors être mises en contact avec un conducteur humide. Donc les expériences de Galvani répondaient à l'énoncé de Volta: [deux plaques de métal (zinc et cuivre) réunies par un liquide conducteur (liquide corporel de la grenouille)]. À partir des résultats obtenus dans ses recherches et celles de Galvani, Volta réalisa la première pile. Cette pile était composée de rondelles de métal différent, soit du zinc et du cuivre. Entre chaque superposition de rondelle, il y en avait une imbibée de saumure (H 2 O+NaCl) pour conduire le courant. La première pile était née. Alessandro Volta intéressa le monde entier par la découverte de sa pile. La gloire de cet homme fut à jamais gravée dans l'histoire de l'électricité. Document 2 : quelques expériences On dispose de tournures de cuivre, de grenaille de zinc, d'une solution (incolore) contenant des ions Zn 2+ et d'une solution (bleue) contenant. On place du zinc dans la solution contenant Cu 2+ et du cuivre dans la Zn 2+. Après quelques minutes un morceau de solide est retiré de la solution bleue pour mieux l'observer, et placé à droite d'un morceau de zinc (photo 1) : Groupe Collège Académie de Créteil Page 1

2 Zn Zn ayant séjourné avec Cu 2+ Cu photo 1 D'autre part on met dans un tube à essais de la poudre de zinc et une, à température ambiante. Le tube est agité et on mesure la température (photo 2) ; le thermomètre est retiré et on attend quelques minutes encore en agitant de temps en temps (photo 3) : photo 2 photo 3 En plaçant une dans une et une lame de zinc dans une des ions Zn 2+, puis en reliant les deux solutions par un pont de gel conducteur, une tension électrique apparaît entre les deux plaques métalliques (photo 4). Je réponds aux questions 1 ) Comment a-t-on rendu hommage à Volta? 2 ) Pourquoi le dispositif inventé par Volta a-t-il été appelé pile? photo 4 3 ) Avec les connaissances actuelles sur la tension, pouvait-on prévoir que des métaux différents étaient nécessaires pour obtenir un courant électrique? 4 ) Que met en évidence la photo 1? Comment interpréter la photo 3? 5 ) Quel phénomène est mis en évidence par la photo 2? 6 ) Quel est le rôle du pont de gel conducteur de la photo 4? Groupe Collège Académie de Créteil Page 2

3 Je vérifie 1 ) On a rendu hommage à Volta en choisissant son nom comme base d'une unité électrique : le volt, unité de la tension électrique. 2 ) Volta a fait un empilement de rondelles de métal et de rondelles humides. Remarque : cet empilement constitue un placement en série des générateurs, leurs tensions s'additionnent donc. 3 ) On sait que la tension provient d'une différence entre les bornes d'une pile, elle est due à la différence des métaux employés. 4 ) La photo 1 montre que le métal cuivre ne réagit pas avec les ions du zinc, alors que le métal zinc réagit avec les ions Cu 2+. La décoloration de la solution en photo 3 montre que les ions Cu 2+ sont consommés. 5 ) La solution est chauffée par la réaction qui a lieu dans le tube à essais : la réaction du zinc avec les ions Cu 2+ produit de l'énergie, ici sous forme thermique. 6 ) Le gel conducteur permet d'assurer la fermeture du circuit électrique en mettant en "contact" les solutions ioniques, sans les laisser se mélanger. Je retiens Cette partie est à recopier / imprimer sur le cahier / classeur Une pile électrochimique convertit de l'énergie chimique, provenant d'une réaction, en énergie électrique. Elle est constituée de métaux et leurs ions séparés par un pont conducteur. L'utilisation de la pile entraine la consommation de certains de ces réactifs : quand un des réactifs est totalement transformé la pile est usée. Une pile électrochimique peut faire tourner un petit moteur. Groupe Collège Académie de Créteil Page 3

4 Je m entraîne 1 ) Un élève a fait le schéma d'une pile électrochimique alimentant une lampe. Quelles sont les deux erreurs dans son schéma? Les corriger. 2 ) On trouve parfois le schéma d'une pile "en un seul pot" : céramique poreuse a) Quel rôle joue le becher en céramique poreuse? b) Quelle critique peut-on faire de la pile schématisée ci-contre? Groupe Collège Académie de Créteil Page 4

5 Correction : 1 ) Les deux lames métalliques ont été inversées (ou les solutions), on observera simplement une réaction dans le becher de gauche. De plus il manque le pont ionique entre les deux bechers. pont ionique 2 ) a) Le becher en céramique poreuse joue le rôle du pont ionique : il permet un échange électrochimique entre les deux solutions (passage d'ions) sans leur permettre de se mélanger. b) Cette pile va s'user quand on ne s'en sert pas! En effet la étant en contact direct avec les ions Cu 2+, elle va réagir et sera consommée, comme les ions cuivre, sans que la pile ne débite. Remarque : Cette pile peut fonctionner quelque temps si on n'agite pas la solution, la s'entourant d'une couche où les ions de cuivre ne sont pas présents, mais la diffusion entraine rapidement son usure. Elle ne correspond en aucun cas au principe des piles couramment utilisées. Groupe Collège Académie de Créteil Page 5

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