Transfert d énergie : piles et accumulateurs

Chapitre 11 Transfert d énergie : piles et accumulateurs Découvrir Activité documentaire n 1 Quelles énergies pour les véhicules électriques de demain? 1. Un véhicule hybride utilise deux sources d énergie pour sa propulsion : une batterie et un réservoir de carburant. 2. La valeur de l intensité est donnée par la relation : I = E/(U Δt) = 18 A (il faut convertir les kwh en J). 3. Compte tenu de l énergie massique et de l énergie stockée dans la batterie, la masse de celle-ci est 300 kg. 4. Le fonctionnement de cette pile ne forme qu un produit : l eau. 5. Le stockage du dihydrogène est difficile, c est un gaz dans les conditions habituelles de pression et température. De plus, il est explosif. Activité expérimentale n 2 Comment les électrons échangés lors d une réaction d oxydoréduction peuvent-ils circuler dans un circuit électrique? 1. Les électrons, qui circulent dans le sens inverse de celui du courant, vont de la plaque de zinc à celle de cuivre. 2. Cu 2+ (aq) + 2e Cu(s) et Zn 2+ (aq) + 2e Zn(s) 3. Cu 2+ (aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn 2+ (aq) 4. Le pont salin assure la conduction entre les deux demi-piles et leur électroneutralité. 5. Cette pile n est pas «étanche» et ne peut pas être facilement transportée. Elle a, de plus, une grande résistance interne et la puissance disponible est très limitée. Extraire l information utile Histoire d usages de piles 1. Accumulateur au plomb : l oxydant est Pb 2+ et le réducteur est Pb 2+! Pile bouton : l oxydant est Hg(OH) 2 et le réducteur est Zn. Accumulateur CdNi : l oxydant est NiO 2 H et le réducteur est Cd. Accumulateur «lithium métal polymère» : l oxydant est Li + et le réducteur est LiC 6. NATHAN - La photocopie non autorisée est un déli t. 62

2. Une pile doit être recyclée lorsque le réactif limitant est épuisé. Un accumulateur peut être rechargé. 3. L énergie massique des batteries de la Bluecar est trois fois plus importante que celle des batteries de la «jamais contente». 4. Les piles et accumulateurs usagés contiennent souvent des produits toxiques (mercure, cadmium, cobalt ) et doivent être recyclés. Réaliser un TP Fonctionnement d une pile à combustible 1. Le réactif consommé est l eau H 2 O. Les produits sont le dioxygène O 2 et le dihydrogène H 2. Les couples sont H + (aq) / H 2 (g) et O 2 (g) / H 2 L équation de la réaction est : 2 H 2 O( ) 2 H 2 (g). 2. Équation de la réaction de fonctionnement de la pile : 2 H 2 (g) 2 H 2 Le seul produit est l eau, qui n est pas un polluant! 3. L électrode à laquelle est consommé le dioxygène est le siège d une réduction (cathode), c est la borne positive. L électrode à laquelle du dihydrogène est consommé est le siège d une oxydation (anode), c est la borne négative. 4. Lors de la production de combustible, la cellule joue le rôle de récepteur électrique ; lors de l utilisation de la pile, la cellule joue le rôle de générateur. 5. Q = I Δt. Si l intensité est de l ordre de 300 ma, cela donne pour 5 min une charge Q = 90 C. La quantité d électrons échangée est : n e = Q/F = 9,3 10-4 mol. La quantité de dihydrogène formée est n(h 2 ) = n e /2 = Q/F = 4,7 10-4 mol ; la quantité de dioxygène formée est n(o 2 ) = n e /4 = 2,3 10-4 mol. 6. La tension est d environ 1,05 V. Après une charge de 10 min, la quantité d électricité disponible est 180 C, la valeur de l énergie disponible est donc 190 J. S entraîner Testez vos connaissances 1. a) et b) ; 2. c) ; 3. a) et b) ; 4. a) ; 5. b) et c) ; 6. a) et c) ; 7. a) et c) ; 8. a) et b) ; 9. b) ; 10. a) ; 11. b) et c). Applications directes du cours 12 Piles et transformation 1. Ce sont des réactions d oxydation-réduction, car ce sont elles qui font intervenir un échange d électrons. 2. Lorsque la pile n est pas en fonctionnement, les réactifs ne peuvent échanger d électrons (le circuit électrique est ouvert) : ils ne peuvent pas réagir. 13 Le sens du courant est : a) de la borne + à la borne à l extérieur de la pile. b) de la borne à la borne + à l intérieur de la pile. c) opposé au sens de circulation des électrons. Chapitre 11 - Transfert d énergie : piles et accumulateurs 63

14 Le pont salin a) permet la circulation du courant dans la pile. b) assure l électroneutralité dans les deux compartiments de la pile. c) Il ne permet pas la circulation d électrons. 15 Générateurs électriques 1. Schéma équivalent de la pile. R E U 2. On applique la relation : U = E r I = 1,49 V ; compte tenu de la précision des données, le résultat est 1,5 V qui est la tension nominale de la pile. 16 Pile de luxe : zinc-argent 1. L intensité I est fléchée en partant de l électrode de Zn et en allant vers l électrode d Ag. 2. La borne positive est l électrode d argent, l électrode négative est l électrode de zinc. Les électrons vont du zinc vers l argent. La borne F est reliée à l électrode de zinc, la borne F+ à celle d argent. 3. La tension aux bornes de la pile est égale à celle aux bornes du conducteur ohmique : U = R I = 0,87 V. 4. Les équations aux électrodes sont : Ag + (aq) + e Ag(s) et Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e. 5. Zn(s) + 2 Ag + (aq) Zn 2+ (aq) + 2 Ag(s). 17 Plantes vertes et accumulateurs 1. Le Soleil est la source d énergie qui permet le stockage d énergie chimique dans les plantes chlorophylliennes. 2. Les phases de stockage d énergie sont la charge pour un accumulateur (récepteur électrique) et la photosynthèse pour les plantes. Les phases de restitution de l énergie sont la décharge pour l accumulateur (générateur électrique) et la respiration pour les plantes. 18 Radio saline ou alcaline? Avec la pile saline, le poste va fonctionner 300 h. Avec la pile alcaline, il va fonctionner 760 h. 19 Choisir un accumulateur Le démarrage d un moteur à explosion nécessite une grande intensité : la résistance interne doit être faible. Pour une utilisation occasionnelle, la «résistance de fuite» doit être prise en compte afin que l accumulateur ne se décharge pas entre deux utilisations. Une montre doit être légère et fonctionner longtemps : la capacité massique de l accumulateur ou de la pile doit être importance et la «résistance de fuite» prise en compte. Une utilisation intensive et le stockage de grandes quantités d énergie, comme dans un véhicule électrique, impliquent l utilisation d accumulateurs ayant un rendement énergétique important pour limiter les pertes. Un téléphone portable doit être léger et avoir une autonomie suffisante : la capacité massique de l accumulateur ou de la pile doit être importante. 64

Exercices d entraînement 20 Quelques caractéristiques d une pile saline «Leclanché» 1. Le pôle positif est associé à un réactif qui capte des électrons (un oxydant) : MnO 2 (s) + H + (aq) + e MnO 2 H(s). Le pôle négatif est associé à un réactif qui cède des électrons (un réducteur) : 2. L équation de la réaction globale est donc : Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e. 2 MnO 2 (s) + 2 H + (aq) + Zn(s) 2 MnO 2 H(s) + Zn 2+ (aq). 3. Nous disposons de l énergie volumique et des dimensions de la pile. La quantité d énergie disponible est accessible en faisant le produit de la capacité volumique par le volume (attention, les unités doivent être compatibles). Le volume d un cylindre est donné par le produit de la circonférence par la hauteur : V = π r ² H. La quantité d énergie disponible est donc 26 KJ (26 000 J) pour un volume de 66 cm². 4. La capacité de cette pile est donnée par le quotient de l énergie disponible par la tension soit Q = 17 KC (4,7 Ah). 5. Une pile sèche peut être transportée sans précaution ni risque de fuite d électrolyte. 21 Pourra-t-on repartir en voiture? 1. La batterie se charge lorsque la voiture roule, elle est donc totalement chargée après un long trajet. 2. U = E r I = 12,3 V (la différence avec la charge électromotrice est faible, car r est petit). 3. W = P Δt = U I Δt = 1,8 10 6 J (attention aux unités). 4. L énergie disponible dans la batterie est : W max = Q E = 1,8 10 6 J. La batterie est totalement déchargée ; le conducteur ne pourra donc pas redémarrer à son retour. 22 La pile est usée 1. Le pont salin permet de fermer le circuit (circulation du courant) et garantit l électroneutralité des deux solutions électrolytiques. 2. n (Al)i = n = 0,05 mol. Donc n /2 > n /3 et l ion zinc (Zn 2+ )i (Al)i (Zn 2+ )i (Zn2+ (aq)) est le réactif limitant (x max = 0,017 mol). 3. Al(s) Al 3+ (aq) + 3e et Zn 2+ (aq) + 2e Zn(s). On choisit l équation qui fait intervenir le réactif limitant et les électrons échangés ; la pile peut faire circuler n e = 2n (Zn = 0,1 mol d électrons, ce qui correspond à une charge : 2+ )i Q = n e F = 9,6 10 3 C. 4. La quantité d énergie disponible est W = 8,6 10 3 J. 5. La durée Δt = Q/I = 9,6 10 5 s = 11 jours. 23 Surveiller la charge d un accumulateur 1. On doit utiliser la fonction tension continue. 2. On doit utiliser le calibre immédiatement au-dessus de la valeur mesurée : 2,0 V. 3. L incertitude absolue est égale à 0,8 % de 2,0 V soit 0,16 V. L incertitude relative est 0,16/1,238 = 13 %. 4. On ne peut pas choisir le calibre de 200 mv pour mesurer la chute de tension en fin de charge puisque la tension totale à mesurer est proche de 1,4 V ce qui est largement supérieur au calibre de 15 mv. 5. L incertitude absolue est toujours de 0,16 V sur le calibre de 2,0 V. L incertitude est 10 fois plus importante que la chute de tension de 15 mv. L incertitude relative est de 1000 %, la mesure ne pourra pas être faite avec ce multimètre. Chapitre 11 - Transfert d énergie : piles et accumulateurs 65

24 Une voiture hybride 1. La batterie fonctionne comme un générateur : lorsque la voiture accélère ou roule à vitesse constante, la batterie transfère de l énergie sous forme électrique au moteur. 2. La batterie fonctionne comme un récepteur lors des phases de freinage, elle reçoit alors de l énergie transférée sous forme électrique par un alternateur. 3. Cette voiture est particulièrement indiquée pour des trajets en ville qui nécessitent de nombreux freinages. Le dispositif présente moins d intérêt pour des trajets sur autoroute. 4. L équation de fonctionnement lors de la charge est : NiO 2 H + MH Ni(OH) 2 + M. 5. Lors de la décharge : électrode positive : Ni(OH) 2 + OH - NiO 2 H + H 2 O + e - électrode négative : M + H 2 O + e - MH + OH L équation totale est donc : Ni(OH) 2 + M NiO 2 H + MH. 25 Stockage du «combustible» dans un véhicule électrique 1. Les demi-équations électroniques : H 2 (g) 2 H + (aq) + 2e - et O 2 (g) + 4 H + (aq) + 4e - 2 H 2 L équation de la réaction de fonctionnement de la pile : 2 H 2 (g) H 2 2. Le seul produit formé est de l eau, qui n est pas polluante. 3. À l extérieur de la pile, dans le circuit électrique, les porteurs de charges sont des électrons. 4. Grâce aux demi-équations électroniques de la question 1, on constate que le dihydrogène produit des électrons en étant oxydé, c est un réducteur. Le combustible est le dihydrogène. 5. Le second réactif est le dioxygène, présent dans l air, il n est donc pas nécessaire de le transporter. 6. Le texte indique qu il faut environ 0,5 kg de dihydrogène soit 500 g. La masse molaire du dihydrogène est 2,0 g mol -1, il faut donc environ 250 moles de dihydrogène. 7. Chaque dihydrogène consommé correspond à deux électrons pouvant circuler. La quantité d électrons ne - = 500 mol. 8. Les 250 moles de dihydrogène représentent un volume de 6 10 3 L, soit 6 m 3. Un tel réservoir est trop volumineux pour un véhicule usuel. 9. On peut, afin de réduire ce volume, comprimer le dihydrogène. 26 It s in English Énoncé L équation de fonctionnement d une pile est : 2 Al(s) +3 Zn 2+ (aq) 2 Al 3+ (aq) + 3 Zn(s). 1. Écrire les deux couples oxydant/réducteur associés à cette pile. 2. Écrire les équations d oxydoréduction qui ont lieu aux électrodes. Corrigé 1. Les deux couples sont : Al 3+ (aq)/al(s) et Zn 3+ (aq)/zn(s). 2. Al(s) Al 3+ (aq) + 3e et Zn 2+ (aq) + 2e Zn(s). 66