T STI2D-SIN CHIMIE DEUXIÈME PARTIE : «TRANSPORT» 2016 / 2017 COURS TP SUR LE CHAPITRE 9 «PILES ET ACCUMULATEURS DANS LE TRANSPORT»

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1 T STI2D-SIN CHIMIE DEUXIÈME PARTIE : «TRANSPORT» 2016 / 2017 COURS TP SUR LE CHAPITRE 9 «PILES ET ACCUMULATEURS DANS LE TRANSPORT» Introduction : Qu est-ce qu une pile? Qu est-ce qu une batterie d accumulateurs? Quelle est la différence entre une pile et un accumulateur? PREMIÈRE PARTIE : GÉNÉRALITÉS CONCERNANT L OXYDORÉDUCTION (RAPPELS DE 1 STI2D) I) Définitions de base. Une OXYDATION est une PERTE d électrons. Une RÉDUCTION est un GAIN d électrons. Un OXYDANT est une espèce chimique (atome, ion, molécule) susceptible de CAPTER (ou GAGNER) au moins un électron ; un oxydant subit donc une RÉDUCTION. Un RÉDUCTEUR est une espèce chimique (atome, ion, molécule) susceptible de CÉDER (ou PERDRE) au moins un électron ; un réducteur subit donc une OXYDATION. II) Couples oxydant / réducteur ou couple redox. Un couple oxydant / réducteur (ou couple redox) noté Ox / Red est formé par l association d un oxydant Ox et d un réducteur Red. On dit que l oxydant et le réducteur sont conjugués. On a de manière très formelle l écriture suivante : Ox + n e Red (n entier strictement positif). Cette écriture est appelée demi-équation d oxydoréduction (ou demi-équation électronique) associée au couple redox, c est à dire caractérisant le couple redox. Remarque très importante : Le signe traduit la possibilité de passer selon les conditions expérimentales : soit de Ox à Red (cas d une réduction) soit de Red à Ox (cas d une oxydation). III) Exemples de couples oxydant / réducteur et écriture de la demi-équation électronique associée au couple. De façon générale, pour équilibrer en milieu acide la demi-équation électronique associée à un couple Ox / Red, on applique dans l ordre les quatre étapes suivantes : ❶ Assurer la conservation des éléments autres que O et H. ❷ Assurer la conservation de l élément oxygène O à l aide de molécules d eau H 2O. ❸ Assurer la conservation de l élément hydrogène H à l aide des ions hydrogène H + (aq). ❹ Assurer la conservation de la charge électrique avec des électrons e (Les électrons sont toujours situés dans le membre contenant l oxydant). Couple Ox / Red Oxydant Réducteur Demi-équation d oxydoréduction associée Ag + (aq) / Ag (s) Ion argent Métal argent (gris) Al 3+ (aq) / Al (s) C 2H 4O 2(aq) / C 2H 6O (aq) Cl 2(g) / Cl (aq) Ion aluminium Acide éthanoïque Dichlore gazeux (vert pale) Métal aluminium (gris) Éthanol Ion chlorure ClO (aq) / Cl (aq) Ion hypochlorite Ion chlorure Cr 2O 7 2 (aq) / Cr 3+ (aq) Ion dichromate (orange) Ion chrome III (vert) Cu 2+ (aq) / Cu (s) Ion cuivre II (bleu) Métal cuivre (orange) PAGE 1 SUR 8

2 Fe 2+ (aq) / Fe (s) Ion fer II (verdâtre) Métal fer (gris) Fe 3+ (aq) / Fe 2+ (aq) Ion fer III (orange) Ion fer II (verdâtre) H + (aq) / H 2(g) Ion hydrogène Dihydrogène gazeux H 2O 2(aq) / H 2O Eau oxygénée ou peroxyde d hydrogène Eau I 2(aq) / I (aq) Diiode (brun) Ion iodure MnO 4 (aq) / Mn 2+ (aq) O 2(g) / H 2O 2(aq) Ion permanganate (violet) Dioxygène gazeux Ion manganèse Eau oxygénée ou peroxyde d hydrogène Pb 2+ (aq) / Pb (s) Ion plomb Métal plomb (gris) SO 4 2 (aq) / SO 2(g) Ion sulfate Dioxyde de soufre Zn 2+ (aq) / Zn (s) Ion zinc Métal zinc (gris) IV) Écriture de l équation d une réaction d oxydoréduction : principes généraux. Une réaction d oxydoréduction fait intervenir toujours deux couples. Une réaction d oxydoréduction résulte d un transfert d électrons entre deux réactifs : du réducteur d un couple vers l oxydant de l autre couple. Il y a toujours simultanément oxydation du réducteur par l oxydant et réduction de l oxydant par le réducteur. Le réducteur d un couple se transforme en son oxydant conjugué et l oxydant de l autre couple se transforme en son réducteur conjugué. Les électrons transférés n apparaissent jamais dans l équation d oxydoréduction que l on obtient en additionnant les deux demi-équations électroniques multipliées auparavant par des coefficients entiers appropriés. Exemple 1 : Écrire les deux demi-équations électroniques puis l équation d oxydoréduction de la réaction entre les ions cuivre II et le métal aluminium sachant que les couples mis en jeu sont Cu 2+ (aq) / Cu (s) et Al 3+ (aq) / Al (s). Exemple 2 : Écrire les deux demi-équations électroniques puis l équation d oxydoréduction de la réaction entre les ions permanganate et les ions fer II sachant que les couples mis en jeu sont Fe 3+ (aq) / Fe 2+ (aq) et MnO 4 (aq) / Mn 2+ (aq). Exemple 3 : Écrire les deux demi-équations électroniques puis l équation d oxydoréduction de la réaction entre les ions iodure et les ions fer III sachant que les couples mis en jeu sont Fe 3+ (aq) / Fe 2+ (aq) et I 2(aq) / I (aq). PAGE 2 SUR 8

3 DEUXIÈME PARTIE : LES PILES I) Transfert direct d électrons. 1) Expérience. Mélanger dans un bécher 20 ml de solution aqueuse de sulfate de cuivre II (Cu 2+ 2 (aq) + SO 4 (aq)) à 1,0 mol.l 1 avec 20 ml de solution aqueuse de sulfate de zinc (Zn 2+ 2 (aq) + SO 4 (aq)) à 1,0 mol.l 1. Y plonger des lames de cuivre et de zinc puis un thermomètre. 2) Observations et interprétations. Q1) Après quelques minutes, que constate-t-on sur la lame de zinc? Interpréter. Q2) Après quelques minutes, que constate-t-on à propos de la coloration de la solution? Interpréter. Q3) Après quelques minutes que constate-t-on à propos de la température du système? Interpréter. Q4) Écrire l équation de la réaction d oxydoréduction qui a eu lieu dans le bécher. Q5) Cette réaction d oxydoréduction correspond à la «somme» de deux demi-équations électroniques. Écrire ces deux demiéquations électroniques. Q6) Compléter : Il y a eu transfert d électrons directement du vers Ce transfert n a lieu qu au entre les atomes de zinc et les ions cuivre II, les électrons n existant pas en solution aqueuse. La légère de température montre que la réaction est : le système de l énergie que le milieu extérieur 3) Généralisation. Lorsque les espèces chimiques participant à une réaction d oxydoréduction en solution aqueuse sont mélangées et sont en contact, il se produit un transfert direct d électrons du réducteur d un couple vers l oxydant d un autre couple. II) Transfert indirect d électrons : exemple de la pile DANIELL. 1) Position du problème. Lorsque les espèces chimiques participant à une réaction d oxydoréduction sont séparées et ne sont pas en contact, on peut réaliser un transfert indirect d électrons du réducteur d un couple vers l oxydant d un autre couple par l intermédiaire d un conducteur métallique. Les piles fonctionnent sur ce principe. 2) Description de la pile DANIELL. Elle a été inventée en 1836 par le physicien britannique JOHN DANIELL. Elle se compose de deux demi-piles : Un bécher contenant une solution aqueuse de sulfate de zinc (Zn 2+ 2 (aq) + SO 4 (aq)) à 1,0 mol.l 1 dans laquelle plonge une lame de zinc. C est la demi-pile associée au couple Zn 2+ (aq) / Zn (s). Un bécher contenant une solution de sulfate de cuivre II (Cu 2+ 2 (aq) + SO 4 (aq)) à 1,0 mol.l 1 dans laquelle plonge une lame de cuivre. C est la demi-pile associée au couple Cu 2+ (aq) / Cu (s). Ces deux demi-piles sont reliées par un pont salin (ou plus généralement jonction électrochimique). Il s agit : + soit d un tube en U contenant une solution gélifiée de nitrate d ammonium (NH 4 (aq) + NO 3 (aq)) ou de chlorure de potassium (K + (aq) + Cl (aq)) ou de nitrate de potassium (K + (aq) + NO 3 (aq)) ; soit d une bande de papier filtre imbibée de l une des solutions citées précédemment. Les ions que contient le pont salin sont chimiquement inertes. Les lames de cuivre et de zinc s appellent les électrodes de la pile DANIELL ainsi constituée. PAGE 3 SUR 8

4 Q7) Faire un schéma annoté de la pile DANIELL dans le cadre ci-dessous. 3) Transfert indirect d électrons et fonctionnement de la pile DANIELL. a) Mise en évidence du transfert d électrons. Réaliser le circuit série comprenant la pile DANIELL, une résistance et un ampèremètre en faisant en sorte que l intensité affichée soit positive. Q8) Compléter : L ampèremètre mesure une intensité positive non nulle : un courant circule donc à l extérieur de la pile de l électrode de vers celle de Ceci montre que l électrode de cuivre constitue la borne de la pile et que l électrode de zinc constitue la borne de la pile. Plus généralement, la borne positive d une pile s appelle et la borne négative s appelle Dans les fils métalliques, la nature du courant électrique est une circulation : des circulent donc de la borne vers la borne à l extérieur de la pile. D où proviennent-ils? b) Fonctionnement de la pile DANIELL et transfert indirect d électrons. Q9) Compléter : À la borne : La lame de fournit des au circuit extérieur. Ces proviennent de la demi-équation électronique qui a lieu à l interface métal zinc-solution :.. À la borne + : La lame de capte des au circuit extérieur. Cette capture est traduite par la demi-équation électronique qui a lieu à l interface métal cuivre-solution :.. Bilan : Il s établit en prenant en compte les deux demi-équations électroniques :.. Il y a donc bien eu un transfert d électrons entre la lame de zinc et les ions cuivre II, de façon par l intermédiaire du circuit extérieur. c) Remarque importante. La réaction globale de fonctionnement de la pile n a lieu que si la pile débite du courant : les deux électrodes doivent être reliées par l intermédiaire du circuit extérieur. 4) Le rôle du pont salin et mouvement des porteurs de charge dans une pile. Généralités : Le pont salin permet de fermer le circuit et assure le passage du courant, ce qui est indispensable au fonctionnement de la pile. Il est le siège d une double circulation d ions chimiquement inertes vis à vis des espèces présentes dans la pile, ce qui assure à chaque instant l électroneutralité des deux solutions présentes dans chaque demi-pile. Application au cas de la pile DANIELL : Quand un ion Zn 2+ (aq) est formé par l oxydation anodique, deux ions NO 3 (aq) migrent du pont salin vers le compartiment. De même, quand un ion Cu 2+ + (aq) est consommé par la réduction cathodique, deux ions NH 4 (aq) migrent du pont salin vers le compartiment. Ainsi, à chaque instant, les solutions des compartiments et sont toujours électriquement neutre. PAGE 4 SUR 8

5 Q10) Indiquer sur le schéma ci-dessous le sens de tous les porteurs de charge responsables de la nature du courant électrique. 5) Autre réalisation possible de la pile DANIELL. Le vase poreux (ou paroi poreuse) joue le rôle de la jonction électrochimique et permet de séparer les réactifs tout en permettant la migration des ions SO 4 2 pour assurer l électroneutralité des solutions et le passage du courant. 6) La force électromotrice (f.é.m.) d une pile. Définition générale de la f.é.m. : C est la tension entre la borne positive (cathode) et la borne négative (anode) d une pile lorsqu elle ne débite pas de courant. On l appelle aussi la tension à vide. Elle est positive par convention. On la note E et s exprime en volt. Elle s obtient en branchant un voltmètre aux bornes de la pile (borne V à la cathode et borne COM à l anode). Q11) Mesurer E Cu-Zn, tension à vide de la pile DANIELL, entre l électrode de cuivre (reliée à la borne V du voltmètre) et l électrode de zinc (reliée à la borne COM du voltmètre). On lit E Cu-Zn = V. Q12) Que montre le signe positif de E Cu-Zn? Q13) Qu aurait-on obtenu si on avait mesuré la tension E Zn-Cu? Qu en aurions-nous déduit? III) Conclusion et généralisation à propos des piles. Une pile (ou générateur électrochimique) est constituée de deux compartiments séparés appelés demi-piles et reliés électriquement par un pont salin. Chaque demi-pile est caractérisée par un couple oxydant / réducteur du type M n+ / M et est constituée par une plaque de métal M (appelée électrode) plongeant dans une solution électrolytique contenant entre autre des cations M n+. Le pont salin, qui permet de fermer le circuit, contient des ions en mouvement et chimiquement inertes vis à vis des espèces présentes dans la pile, ce qui assure à chaque instant l électroneutralité des deux solutions présentes dans chaque demi-pile et le passage du courant. PAGE 5 SUR 8

6 L électrode est appelée Cathode ; elle est le siège d une Réduction (Remarquer que les consonnes sont ensemble) ; c est l électrode par laquelle sort le courant électrique et entrent les électrons. L électrode est appelée Anode ; elle est le siège d une Oxydation (Remarquer que les voyelles sont ensemble) ; c est l électrode par laquelle entre le courant électrique et sortent les électrons. Globalement, on dit que la pile est polarisée. C est à la surface des électrodes que se produisent les réactions d oxydation anodique ou de réduction cathodique. Les électrons seuls n existent pas en solution aqueuse. Les porteurs de charge responsables de la nature du courant électrique sont : Les électrons qui circulent en sens inverse du courant dans les fils métalliques extérieurs et les plaques des électrodes ; Les cations qui circulent dans le sens du courant dans le pont salin et les solutions ; Les anions qui circulent dans le sens inverse du courant dans le pont salin et les solutions. Une pile convertit de l énergie chimique, issue d une réaction d oxydoréduction, en énergie électrique et un peu en énergie thermique. On dit que la réaction globale de fonctionnement de la pile est exoénergétique. Cette énergie électrique est reçue par les dipôles branchés aux bornes de la pile. Une pile usée est une pile qui ne peut plus débiter de courant car sa f.é.m. E est devenue nulle ; une pile usée ne se recharge pas au contraire d un accumulateur. IV) Quantité d électricité et d énergie disponibles dans une pile. 1) Définition du faraday. Un faraday (F) est égal à la valeur absolue de la charge électrique, en coulomb (C), transportée par une mole d électrons. 1 F = C.mol 1 2) Quantité d électricité Q fournie par une pile. Calcul à partir de la quantité n e d électrons échangés : Q = n(e ) F avec Q en C ; n e en mol ; F en C.mol 1 Calcul à partir de l intensité constante I du courant débité par la pile et la durée Δt du débit : Q = I Δt avec Q en C ; I en A ; Δt en s 3) Capacité d une pile. La capacité d une pile est la quantité d électricité débitée par la pile au cours de sa vie : c est donc la quantité d électricité stockée dans la pile. On la note Q max, s exprime en Coulomb et dépend de la composition de chaque demi-pile. Dans l industrie, on utilise l Ampère-heure (A.h) avec 1 A.h = C. 4) Énergie d une pile. L énergie W d une pile est l énergie électrique débitée par la pile au cours de sa vie : c est donc l énergie électrique stockée dans la pile. W = Q max E avec W en J ; Q max en C ; E en V V) Exemples de piles usuelles. PAGE 6 SUR 8

7 TROISIÈME PARTIE : LA PILE À COMBUSTIBLE (EXEMPLE DE LA PILE À DIHYDROGÈNE) Équation de la réaction globale de fonctionnement : 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2O (l) De telles piles sont utilisées dans les engins spatiaux, la propulsion des véhicules (en remplacement des moteurs à explosion), la production d électricité domestique ou de loisirs, l alimentation des appareils électroniques portables (en remplacement des accumulateurs). QUATRIÈME PARTIE : LES ACCUMULATEURS OU «PILES RECHARGEABLES» PAGE 7 SUR 8

8 I) Différence entre une pile et un accumulateur. Pile : Le processus est irréversible ; Lorsque le réactif limitant est épuisé, la pile ne fournit plus d énergie, elle est usée définitivement. Accumulateur ou «pile rechargeable» : Le processus est réversible ; Lorsque le réactif limitant est épuisé, on reconstitue le stock de réactifs en apportant de l énergie sous forme électrique à l accumulateur. II) L accumulateur au plomb. Charge de l accumulateur Décharge de l accumulateur Remarque : ***** PAGE 8 SUR 8