Les batteries fiche guide

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1 Les batteries fiche guide Notions abordées Physique Chimie - Courant et tension électrique - Circuit électrique - Réaction chimique - Pile - Concentration - Couple redox Objectifs d apprentissage du PER MSN Analyser des phénomènes naturels et des technologies à l aide de démarches caractéristiques des sciences expérimentales : - en acquérant les connaissances nécessaires en physique et en chimie - en utilisant un modèle pour expliquer et/ou prévoir le fonctionnement d un objet technique. - en choisissant et en utilisant des instruments d observation et de mesure. - en organisant des prises de mesures et en formalisant les résultats d une expérience. Matière : - Représentation des quelques espèces chimiques simples de la vie quotidienne à l aide d une écriture symbolique. - Modélisation des transformations chimiques par des réactions chimiques. Électricité : - Compréhension du principe de réseaux électriques par la modélisation d un circuit électrique par une chaîne de transferts et de transformations de l énergie. Énergie : - Identification de différentes sources d énergie : pile, etc. Disciplines et options concernées OCOM technologiques : 11 e Durée l activité Introduction aux notions théoriques : une à deux périodes Activité pratique : pour les trois modèles de pile compter 2 périodes en tout. On peut aussi n en construire qu une. Les batteries fiche guide 1/6

2 Indications et solutions Voyons en exemple la pile au cuivre (Cu) et au zinc (Zn) appelée aussi pile de Daniell [ 2 ]. Si on met en contact une lamelle de zinc et une solution contenant du Cu 2+ (en général venant de la dissolution du sulfate de cuivre, CuSO 4 ), ces deux entités vont s échanger des électrons ; le zinc s oxyde et devient noir : Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu La réaction ci-dessus est une réaction d oxydoréduction (ou rédox). Une telle réaction est une réaction chimique au cours de laquelle se produit un transfert d électrons. L espèce chimique qui capte les électrons est appelée «oxydant» (ici, le cuivre) ; celle qui les cède, «réducteur» (ici, le zinc). Dans le langage courant, l oxydation est la réaction chimique dans laquelle un composé se combine avec un ou plusieurs atomes d oxygène, comme l oxydation du fer qui produit la rouille [ 3 ] : 4Fe + 3O 2 2Fe 2 O 3 La pile de Daniell est réalisée en associant par un pont salin deux demi-piles. L une est constituée d un bécher contenant une solution de sulfate de cuivre (CuSO 4 ) dans laquelle trempe une lame de cuivre. L autre est constituée d un bécher contenant une solution de sulfate de zinc (ZnSO 4 ) dans laquelle trempe une lame de zinc. Une vidéo présente la pile de Daniell sous le lien Lorsque la pile fonctionne (il faut pour cela qu elle soit reliée à un circuit extérieur), elle est le siège d une réaction mettant en jeu les couples Cu 2+ /Cu et Zn 2+ /Zn. Le zinc et le cuivre s échangent des électrons, c est ce qui crée le courant électrique généré par la pile. la pile de Volta La pile de Daniell est une évolution de la première pile fabriquée par l homme : la pile de Volta [ 4 ]. La pile à colonne de Volta, pile voltaïque, ou encore pile Volta fut la première pile électrique. Elle a été inventée par Alessandro Volta, qui publia un article à ce sujet en La pile de Volta est formée par un empilement, d où son nom, de petits disques de cuivre et de zinc alternés. Chaque disque de cuivre est séparé du disque de zinc sus-jacent par une surface de tissu imbibé de saumure, solution aqueuse de NaCl, alors que le disque de cuivre suivant est en contact direct avec le disque de zinc qu il surplombe. De cette façon, on a un empilement : cuivre, saumure, zinc, cuivre, saumure, zinc, cuivre, saumure, zinc, cuivre, etc. Il se produit au niveau de chaque couche une réaction d oxydoréduction identique à celle de la pile de Daniell. [2] Source : (cons. le ) [3] Source : oxydo-r%c3%a9duction (site consulté le ) [4] Source : (site consulté le ) 2/6 Les batteries fiche guide

3 La batterie au nickel cadmium fonctionne sur ce principe-là : un échange d électrons entre deux composés chimiques. Cd + Ni 2+ Cd 2+ + Ni La différence principale est que cela ne se passe pas dans l eau, mais comme dans les piles sèches, dans une poudre. Et comme il s agit d une batterie, il est possible de recharger le dispositif. La batterie la plus connue est la batterie au plomb. C est un ensemble d accumulateurs au plombacide raccordés en série et réunis dans un même boîtier. Ce système de stockage d électricité est largement utilisé dans l industrie ainsi que dans l équipement des véhicules automobiles [ 5 ]. L accumulateur au plomb a été inventé en 1859 par le français Gaston Planté. Ce fut le premier accumulateur rechargeable. Ce sont des accumulateurs qui comportent 2 électrodes de plomb dont l une est recouverte d oxyde de plomb PbO 2 [ 6 ]. Les couples rédox mis en jeu dans la pile sont : Pb 2+ /Pb et PbO 2 /Pb 2+ Au pôle négatif, il y a la réaction suivante : Au pôle positif, il y a la réaction suivante : La réaction naturelle entre ces 2 couples est : Pb Pb électrons PbO 2 + 4H électrons Pb H 2 O PbO 2 + 4H + + Pb 2Pb H 2 O Pour recharger la batterie, on effectue une électrolyse qui permet de régénérer les composants (PbO 2 et Pb). Pour cela on impose une tension aux bornes de l accumulateur supérieure à la tension générée par la batterie. Vue éclatée d une batterie au plomb 1 : Grille 2 : Séparateur 3 : Plaque positive 4 : Séparateur 5 : Plaque négative 6 : Faisceau négatif 7 : Élément complet 9 : Rampe de bouchons 10 : Borne 11 : Bac Source [ 5 ] [5] Source : (site consulté le ) [6] Source : (site consulté le ) Les batteries fiche guide 3/6

4 Passons à la pratique : Suivons l expérience pas à pas en image A. La réaction entre le zinc et le cuivre Marche à suivre 1) Plonger une plaque de zinc dans une solution de sulfate de cuivre (en solution dans l eau, de concentration de 0,1 mol/l) [ 7 ]. Pour préparer la solution de CuSO 4 0,1 mol/l, il faut introduire 1,59 g de CuSO 4 dans 100 ml d eau. Si le sel dont on dispose est hydraté (CuSO 4 5H 2 O), il faut introduire 2,49 g dans 100 ml d eau. Plonger une plaque de cuivre dans une solution de sulfate de zinc de 0,1 mol/l [ 8 ]. Pour préparer la solution de ZnSO 4 0,1 mol/l, il faut introduire 1,61 g de ZnSO 4 dans 100 ml d eau. Si le sel dont on dispose est hydraté (ZnSO 4 7H 2 O), il faut introduire 2,87 g dans 100 ml d eau. Il est souvent nécessaire de nettoyer la lamelle de zinc avant de faire ces expériences, car ce métal s oxyde rapidement à l air. On peut le faire mécaniquement avec de la laine d acier ou chimiquement avec un acide. 2) On s aperçoit qu il ne se passe rien dans le récipient où il y a la plaque de cuivre, mais que la lamelle de zinc devient noire. La plaque de zinc est visiblement «rongée» et recouverte d un dépôt noir aux reflets rouges : il s agit d un dépôt de cuivre. Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu On dit que le zinc a été oxydé par le cuivre présent dans la solution de sulfate de cuivre et que le cuivre a été réduit par le zinc. L ensemble de ces deux actions réciproques est une oxydoréduction où le zinc est le réducteur du cuivre et le cuivre est l oxydant du zinc. Que le cuivre n est pas oxydé par le zinc (deuxième bécher) montre en plus qu il y a une hiérarchie du pouvoir oxydant, à savoir que le cuivre est plus oxydant que le zinc. [7] On trouve la fiche de sécurité du CuSO 4 sur (site consulté le ) [8] On trouve la fiche de sécurité du ZnSO 4 sur (site consulté le ) 4/6 Les batteries fiche guide

5 B. Fabriquons une petite pile avec du zinc et du cuivre Marche à suivre 1) Remplir un récipient avec de l eau du robinet, ajouter une cuillère à café de sel et le dissoudre. 2) Percer le couvercle de deux trous. Mettre la lamelle de cuivre dans le premier et, dans l autre, la lamelle de zinc (si vous n en trouvez pas, un clou galvanisé fera l affaire). Si le couvercle n est pas en plastique, il faut isoler la partie en contact avec le couvercle des 2 lamelles (avec du papier collant, par exemple) comme le montre la deuxième image ci-dessus. 3) Mettre le couvercle en place. Voilà vous avez une pile. 4) Disposer avec des pinces «croco» un voltmètre électronique aux bornes métalliques et on peut mesurer la tension générée par cette pile. On obtient une tension de 0,8 à 0,9 Volt. Les batteries fiche guide 5/6

6 C. Fabriquons maintenant la pile de Daniell Marche à suivre 1) Immerger la lamelle de cuivre dans une solution de sulfate de cuivre 0,1 mol/l (première moitié de la pile, appelée demi-pile). Immerger la lamelle de zinc dans une solution de sulfate de zinc de 0,1 mol/l (seconde demi-pile). 2) Réunir ces demi-piles par le papier buvard préalablement plongé dans une solution concentrée de sel. Concentrée veut dire ici que l on a mis au moins une cuillère à café de sel dans un verre d eau. 3) Disposer avec des pinces «croco» un voltmètre électronique aux bornes métalliques de ces deux demi-piles et mesurer la tension générée par cette pile. Il apparaît immédiatement une tension d environ 1 V entre le cuivre et le zinc. On dit que les couples ion/métal, ici Cu 2+ /Cu et Zn 2+ /Zn présentent entre eux un potentiel de 1 V. 6/6 Les batteries fiche guide