Chapitre 6 La pile, une source d énergie Programme officiel De nombreux appareils courants (lampes de poche, télécommandes, calculatrices, petits appareils domestiques tels que rasoirs, appareils photographiques, téléphones portables, outils de bricolage ) fonctionnent avec des piles électrochimiques ou des accumulateurs. Quelques notions d énergie chimique sont donc proposées à ce niveau d enseignement en se limitant aux piles électrochimiques. Approche de l énergie chimique : une pile électrochimique Comment une pile peut-elle être une source d énergie? Connaissances Les espèces chimiques présentes dans une pile contiennent de l énergie chimique, dont une partie est transférée sous d autres formes d énergie lorsqu elle fonctionne. L énergie mise en jeu dans une pile provient d une réaction chimique : la consommation de réactifs entraîne l usure de la pile. Capacités Réaliser, décrire et schématiser la réaction entre une solution aqueuse de sulfate de cuivre et de la poudre de zinc. Interpréter l échauffement du milieu réactionnel comme le résultat de la conversion d une partie de l énergie chimique en énergie thermique. Commentaires La réaction chimique entre une solution de sulfate de cuivre et de la poudre de zinc, par exemple, est l occasion d un transfert d énergie sous forme d énergie thermique vers le milieu extérieur. Dans une pile électrochimique, l énergie rendue disponible par la transformation chimique est principalement transférée sous forme d énergie électrique vers les autres composants du circuit. À noter que la pile va «s user», ce qui la différencie d une pile à combustible alimentée en continu en réactifs. La réalisation de la pile est l occasion de montrer l apparition d une tension aux bornes des deux lames, capable d alimenter un dipôle adapté. La notion de couple oxydoréducteur est hors programme. Objectifs de la leçon Les objectifs sont clairement énoncés dans les pages d ouverture du chapitre ; ils annoncent les compétences théoriques et expérimentales visées dans le chapitre. Savoir qu une tension apparaît entre deux lames plongées dans un électrolyte. Réaliser, décrire et schématiser la réaction chimique entre une solution aqueuse de sulfate de cuivre et du zinc. Savoir que l énergie électrique produite par une pile provient d une réaction chimique. Interpréter l échauffement du milieu réactionnel comme le résultat de la conversion d une partie de l énergie chimique des réactifs en énergie thermique. Interpréter l usure de la pile comme la disparition des réactifs qu elle contient. Activités 1. Comment réaliser une pile expérimentale? Cette première activité présente la réalisation de la plus simple des piles électrochimiques : deux métaux différents plongés dans une solution conductrice. On choisit l eau salée comme électrolyte car l élève sait déjà que cette solution est conductrice (chapitre 3). En mesurant la tension aux bornes de cette pile élémentaire, l élève prend immédiatement conscience de l origine chimique de l énergie électrique fournie par ce générateur. Le montage en série de trois piles permet de constater le passage du courant dans la diode et démontre ainsi l intérêt d associer les piles. CHAPITRE 6 La pile, une source d énergie 11
2. Comment est constituée une pile du commerce? Les notions d électrodes et d électrolyte étant établies à l activité 1, cette activité, documentaire, permet de faire le parallèle entre pile expérimentale et pile ronde du commerce. On montre ici les similitudes existantes et les éléments communs à toutes les piles, c est-à-dire les deux électrodes et l électrolyte. 3. Que devient l électrode en zinc quand la pile fonctionne? L interprétation des deux photographies est immédiate : l élève associe le phénomène d usure de la pile, à la disparition de l électrode en zinc. Remarque : si l on souhaite présenter en classe ces deux piles, il est conseillé de choisir un modèle dont l emballage protecteur est en matière plastique «collée» il s agit la plupart du temps de pile très bon marché. 4. Le métal zinc réagit-il avec une solution de sulfate de cuivre? L activité 4 permet de mettre en avant le concept de transformation chimique se produisant entre le zinc (dont la présence dans les piles est montrée aux activités 2 et 3) et un électrolyte (notion rencontrée dans l activité 1). L effet visuel (décoloration de la solution de sulfate de cuivre et dépôt du cuivre) est rapide (avec une solution moyennement concentrée). L apparition d un précipité blanc lors de l ajout de soude dans la solution finale incolore permet aussi une conclusion aisée quant à la présence des ions zinc. L élève retient alors que, dans une pile, l électrode et l électrolyte réagissent. 5. Comment modéliser l action du métal zinc sur les ions cuivre? L élève sait (chapitre 2) que le courant électrique est dû à un déplacement d électrons. Il a constaté dans l activité précédente que le zinc réagit avec les ions cuivre. Il s agit ici de mettre en relation, de manière simple, ces deux connaissances pour expliquer comment la réaction chimique peut produire du courant électrique. Remarque : on rappelle que la notion de couple oxydo-réducteur est hors programme. 6. La réaction du zinc avec les ions cuivre produit-elle de l énergie? En plaçant une lame de zinc dans une solution de sulfate de cuivre, on constate une élévation de température ; parallèlement la solution se décolore et le zinc se recouvre de cuivre. La transformation chimique produit donc de l énergie thermique. Cette conclusion, associée à celle de l activité précédente permet de satisfaire une recommandation du programme : montrer que dans une pile, l énergie chimique est transférée sous forme d énergie électrique et d énergie chimique. Documents 1. Les différentes sortes de piles Les piles sont des générateurs d usage courant. Dans la première partie du document, l élève découvre la diversité des piles. Bien connaître les caractéristiques de chacune permet de les utiliser à bon escient. Dans une deuxième partie, le principe des accumulateurs, appelés de manière erronée «piles rechargeables», est présenté. Réponses aux questions 1. Les piles au lithium ont la particularité de pouvoir maintenir une tension proche de leur tension nominale pendant un temps plus long (comparé aux piles alcalines et salines). Elles permettent ainsi de faire fonctionner plus longtemps des appareils perfectionnés (ce qui peut justifier un coût supérieur). 2. On juge souvent, à tort, qu une pile est usée lorsqu elle ne permet plus le fonctionnement de l appareil qu elle alimente. Mais certains appareils cessent de fonctionner dès que la tension délivrée par les piles qui les alimentent descend en dessous d un seuil, encore proche de leur tension nominale. D autres appareils, nécessitant une tension d alimentation moins élevée, pourraient encore fonctionner un long moment avec ces piles «usées»! 3. Lorsqu une pile usée cesse de fonctionner, ses réactifs ont disparu et elle ne peut pas être «rechargée». L appellation «rechargeable» est donc impropre, seuls les accumulateurs peuvent se recharger. 4. Un accumulateur fonctionne comme un générateur lorsqu il alimente un appareil. Mais, lorsqu on le recharge sur le secteur (par l intermédiaire d un adaptateur), il se comporte comme un récepteur. On peut donc parler de fonctionnement «réversible». 12 PARTIE 1 La chimie, science de la transformation de la matière
5. Les piles usagées contiennent des composants toxiques (métaux lourds ) et nocifs pour l environnement. Il est indispensable de s en débarrasser en les déposant dans un collecteur spécialement prévu à cet effet. Elles pourront ensuite être retraitées et recyclées. 2. Des piles que l on ne remplace pas Le dihydrogène est de plus en plus présenté par les médias comme une «nouvelle» source d énergie, non polluante, alternative au pétrole. Ce document présente le principe de fonctionnement de la pile à dihydrogène. Il permettra aux élèves de prendre conscience de l intérêt de la pile à combustible et d en connaître également les limites. Réponses aux questions 1. Les réactifs qui permettent le fonctionnement de la pile à combustible sont le dioxygène et le dihydrogène. Le seul produit est l eau. 2. La pile à dihydrogène n a pas besoin d être remplacée, car elle peut être alimentée continuellement en dihydrogène et en dioxygène. Les réactifs de la réaction chimique dont elle est le siège (et qui permet la production d énergie électrique) sont donc renouvelés en permanence. 3. Le seul produit résiduel de la pile à dihydrogène est l eau; on peut donc la qualifier de «propre». Capacité expérimentale et démarche d investigation La réalisation de la pile est l occasion de montrer l apparition d une tension aux bornes de deux lames. La démarche d investigation proposée s appuie sur l interprétation d un texte historique. Sa lecture sera l occasion de découvrir le personnage d Alessandro Volta et de comprendre comment la première pile a été fabriquée (les élèves comprendront ainsi l origine du nom «pile»). L élève devra ensuite réfléchir au moyen de reconstituer la pile de Volta et d en mesurer la tension. Une réflexion quant à l intérêt d associer plusieurs couples de métaux lui est demandée à la fin de l étude. Remarque : On trouve chez les fournisseurs habituels de matériel pédagogique des dispositifs permettant de reconstruire la «pile de Volta». L un d eux est photographié page 98 (manuel élève). Bien que très pratiques, leur coût est assez élevé ; la construction d une «pile» avec des lames de zinc et de cuivre, bien que moins esthétique et moins pratique, conduira aux mêmes conclusions. Correction des exercices Les exercices 2 et 3 font uniquement appel aux connaissances et capacités du socle commun. Je contrôle mes connaissances 1 Je retrouve l essentiel On constitue une pile avec deux matériaux conducteurs différents (électrodes) plongeant dans une solution conductrice (électrolyte). Lors du fonctionnement de la pile, le métal zinc subit une transformation chimique : les atomes donnent des ions zinc. Les électrons libérés par cette transformation circulent, à l extérieur de la pile, vers l autre électrode et créent ainsi le courant électrique. La consommation des réactifs entraîne l usure de la pile. Une pile convertit l énergie chimique des réactifs en énergie thermique et en énergie électrique. Ces énergies trouvent leur origine dans une réaction chimique. 2 Énergie électrique Énergie chimique Énergie thermique Générateur électrochimique Comparer pile neuve et pile usagée a. L enveloppe d une pile neuve est en zinc. b. On constate que l enveloppe de la pile usagée est détériorée, une partie du métal zinc a été consommée. c. Quand la pile fonctionne, le zinc qui constitue son enveloppe extérieure disparaît. Le fonctionnement de la pile est donc bien associé à une transformation chimique dont le zinc est l un des réactifs. 3 Interpréter des observations a. Les ions cuivre sont mis en évidence par l apparition du précipité bleu lors de l ajout de soude. Les ions cuivre ne sont plus présents dans la solution CHAPITRE 6 La pile, une source d énergie 13
(fig. 2) car celle-ci est incolore. b. Les ions cuivre (responsables de la coloration bleue) disparaissent (la solution se décolore). Ils se transforment en métal cuivre et se déposent sur la lame de zinc. 4 Modéliser une réaction chimique a. Les espèces chimiques présentent à l état initial sont les ions cuivre et les atomes de zinc. À l état final, on trouve des ions zinc et des atomes de cuivre. b. Un ion cuivre se transforme en atome de cuivre en captant deux électrons. Un atome de zinc se transforme en ion zinc en cédant deux électrons. 5 Comprendre le fonctionnement d une pile a. Lors du fonctionnement de la pile, les atomes de zinc se transforment en ions zinc,ce qui se traduit par une disparition du métal zinc (et une usure de la pile). b. Les électrons sont produits par l électrode en zinc au cours de la transformation chimique du métal zinc en ions zinc. Sens conventionnel du courant Électrode en zinc + Sens de déplacement des électrons Zn Zn 2+ + c. Sens des électrons et sens conventionnel du courant sont opposés. J utilise mes connaissances Les exercices 8 et 11 font uniquement appel aux connaissances et capacités du socle commun. 6 Monter des piles en série Marianne constate qu aux bornes d une pile, la tension est de 0,82 V. Lorsqu elle associe trois piles, elle mesure 2,44 V, soit approximativement trois fois la tension entre les bornes d une pile seule. Associer plusieurs piles en série permet de disposer d une tension plus importante. 7 Construire un raisonnement Je sais que la tension aux bornes d une pile ronde neuve vaut 1,5 V. J observe que la pile plate est constituée de trois piles rondes. J en conclus que la tension aux bornes de la pile plate vaut 3 x 1,5 V soit 4,5 V. 8 Choisir la bonne représentation L ordre chronologique des schémas est ➂, ➀ et ➁. En effet, lors de cette expérience, la quantité de cuivre qui se dépose sur la lame augmente et la coloration de la solution s atténue. 9 Prévoir un résultat d expérience a. Le filtrat est incolore car les ions cuivre ont disparu. b. Si on ajoute de la soude dans le bécher, un précipité blanc va apparaître. c. Le précipité blanc obtenu lors de l ajout de soude caractérise la présence d ions zinc. 10 Modéliser a. La bonne modélisation des produits de la réaction est celle de Sofiane. En effet, l ion cuivre et l atome de zinc, modélisant les réactifs, se transforment respectivement en atome de cuivre et en ion zinc. b. Erreurs commises par les autres élèves : la représentation de Karen ne fait pas apparaître de nouveaux produits. Camille a représenté un ion Fer II, mais l élément fer n existe pas dans les réactifs. 11 Transférer l énergie a. On peut voir que le courant délivré est très intense car il fait rougir le fil en métal qui court-circuite la pile. b. Quand la pile débite un courant très intense, la réaction chimique qui le produit s accélère et l échauffement associé augmente : la pile s échauffe d autant plus que le courant débité est intense. c. Énergie électrique Énergie chimique Énergie thermique DÉMARCHE SCIENTIFIQUE 14 PARTIE 1 La chimie, science de la transformation de la matière
12 a. J approfondis mes connaissances Associer plusieurs piles + b. Associer plusieurs piles rondes en série permet de disposer d une tension plus importante aux bornes de l ensemble (les tensions s additionnent). c. La pile photographiée est constituée de 6 piles rondes : la tension aux bornes de l ensemble vaut 6 x 1,5 = 9 V. 13 De l énergie en bouteille! a. La borne positive de la pile de Grenet est constituée par deux plaques de charbon, la borne négative est constituée d un cylindre en zinc. b. L électrolyte utilisé est une solution de dichromate de potassium acidifié. c. Sortir l électrode en zinc de l électrolyte empêche la transformation chimique d avoir lieu et limite par conséquent l usure de la pile. 14 Traduire un texte par un schéma a. La borne positive est la lame de cuivre ; la borne négative est la lame d aluminium. L électrolyte utilisé est une solution d eau salée. b. Sens de déplacement des électrons Lame d aluminium Eau salée V + Sens conventionnel du courant Lame de cuivre 15 Décrire une pile expérimentale a. Lorsque la diode est connectée aux bornes de l ensemble, elle s allume. Le dispositif expérimental (citrons et lames de zinc et de cuivre) produit donc une tension capable de faire briller la diode : il s agit d une pile. b. Les deux métaux constituant les électrodes sont le cuivre et le zinc. c. L électrolyte est constitué par le jus de citron. 16 Pour aller plus loin a. La coloration bleue prise progressivement par la solution traduit l apparition d ions cuivre. b. Les ions cuivre peuvent être mis en évidence en ajoutant de la soude dans la solution : un précipité bleu caractéristique apparaît. c. Au cours de l expérience, les atomes du métal cuivre se transforment en ions cuivre. d. Le dépôt gris est constitué de métal argent. e. Le bilan de cette réaction est : ion argent + atome de cuivre atome d argent + ion cuivre 17 Chemistry in English Traduction de l énoncé On a placé une lame de zinc dans une solution de sulfate de cuivre. a. Quelle était la couleur initiale de la solution? b. Pourquoi la couleur de la solution disparaît-elle progressivement? Réponse en français a. Initialement la solution était bleue. b. La couleur de la solution disparaît progressivement car les ions cuivre se transforment en métal cuivre. Réponse en anglais a. The solution was initially blue. b. The colour of the solution disappeared gradually because the copper ions were transformed into metallic copper. Exercices supplémentaires 18 Recycler les piles Énoncé Suivant leurs caractéristiques, les piles contiennent différents métaux : zinc, plomb, nickel, lithium Si les piles usagées sont rejetées dans la nature, tous ces métaux peuvent se répandre dans les sols, les cours d eau, les nappes phréatiques Par ailleurs, certains de ces métaux pourraient être recyclés. Depuis 1999, la loi impose de rapporter les piles dans des lieux où elles sont collectées. a. Pourquoi ne doit-on pas jeter les piles usagées à la poubelle? b. Quel autre avantage présente la collecte des piles? CHAPITRE 6 La pile, une source d énergie 15
Réponses a. Les piles usagées contiennent des produits nocifs pour l environnement (métaux lourds ). b. La collecte des piles permet d éviter des pollutions et facilite le recyclage. 19 Passer de l atome à l ion et vice-versa Solution de sulfate de zinc Solution de sulfate de cuivre Métal zinc Métal cuivre Enoncé a. Quels sont les ions métalliques contenus dans les verres à pied? b. Quels sont les atomes contenus dans les coupelles? c. Quelles particules sont échangées lorsque les atomes se transforment en ions et inversement? Réponses a. L un des verres à pied contient des ions zinc (solution de sulfate de zinc) ; l autre des ions cuivre (solution de sulfate de cuivre). b. L une des coupelles contient des atomes de zinc (métal zinc) ; l autre des atomes de cuivre (métal cuivre). c. Lorsque les atomes se transforment en ions (et inversement) les particules échangées sont les électrons. 16 PARTIE 1 La chimie, science de la transformation de la matière
Chapitre 7 La synthèse des espèces chimiques CHAPITRE 7 La synthèse des espèces chimiques 17