Thème : TRANSPORT Sous-thème : Mise en mouvement Chapitre T6 : LES PILES ET ACCUMULATEURS

Thème : TRANSPORT Sous-thème : Mise en mouvement Chapitre T6 : LES PILES ET ACCUMULATEURS Notions et Contenus Transformation chimique et transfert d'énergie sous forme électrique. Piles, accumulateurs, piles à combustible. Thème 2 : TRANSPORT. Sous-thème : MISE EN MOUVEMENT Compétences attendues - Citer les caractéristiques des piles et leurs évolutions technologiques. - Identifier l'oxydant et le réducteur mis en jeu dans une pile à partir de la polarité de la pile ou des couples oxydant/réducteur. - Écrire les équations des réactions aux électrodes. - Expliquer le fonctionnement d'une pile, d'un accumulateur, d'une pile à combustible. - Utiliser le modèle de la réaction pour prévoir la quantité d'électricité totale disponible dans une pile. - Associer charge et décharge d'un accumulateur à des transferts et conversions d'énergie. - Définir les conditions d'utilisation optimales d'une batterie d'accumulateurs : l'énergie disponible, le courant de charge optimum et le courant de décharge maximal. Problématique : Comment fonctionnent les batteries utilisées dans nos véhicules? COURS : I. RAPPELS DE PREMIERE : TRANSFERT DIRECT D ELECTRONS : Considérons le système constitué des espèces chimiques des couples oxydant/réducteur : Zn 2+ (aq) / Zn (s) et Cu 2+ (aq) /Cu (s). Réalisons l expérience et notons nos observations. Lame de cuivre Observation : Lame de zinc - 50 ml de (Cu 2+ + SO 4 2- ) - 50 ml de (Zn 2+ + SO 4 2- ) Interprétation : a) Écrire les demi équations d oxydoréduction qui traduisent les réactions qui ont lieu dans cette transformation chimique. Préciser leur nom. b) Quel est le métal qui cède les électrons? c) Qui reçoit les électrons? d) Préciser à quel endroit précis se font les transferts d'électrons. Conclusion : Il y a un entre et Lycée Georges Leygues 1

II REALISATION D UNE PILE ELECTROCHIMIQUE : TRANSFERT INDIRECT D ELECTRONS : 1) Rappels d'électricité : Pour mesurer une intensité, on utilise un branché en Si l'intensité mesurée est positive alors la borne A ou ma de l'ampèremètre est reliée du côté de la borne de la pile. Pour mesurer une tension, on utilise un branché en Si la tension mesurée est positive alors la borne V du voltmètre est reliée à la borne de la pile. Dans le circuit extérieur à la pile : - le courant circule de la borne à la borne de la pile. - les électrons circulent de la borne à la borne de la pile. 2) Expérience : Dans un bécher, verser environ 50 ml d'une solution aqueuse de sulfate de cuivre et y plonger une lame de cuivre préalablement décapée. Dans un autre bécher, verser environ 50 ml d'une solution aqueuse de sulfate de zinc et y plonger une lame de zinc préalablement décapée. Relier les 2 lames métalliques par un conducteur ohmique de résistance R = 10 Ω relié en série à un ampèremètre. Observer. Relier les deux béchers à l'aide d'un pont salin (ses deux extrémités doivent tremper dans les deux solutions). Observer. Faire un schéma légendé du dispositif expérimental : Observation : Interprétation : Conclusion : Ce dispositif expérimental est une appelée : Cette pile est constituée de deux reliées entre elles par un Chaque demi pile contient l' et le d'un couple oxydant/réducteur : * demi-pile de gauche : couple * demi-pile de droite : couple Lycée Georges Leygues 2

3) Comment fonctionne une pile? Cas de la pile Daniell : Remplacer l'ampèremètre et le conducteur ohmique par un voltmètre placé entre les deux lames métalliques de la pile Daniell, mesurer la tension U PN entre les plaques de cuivre et de zinc. Relier les fils de manière à ce que la tension mesurée par le voltmètre soit positive. Observer Refaire le schéma de la pile Daniell Sur ce schéma : - indiquer la position de la borne V et COM du voltmètre - localiser les bornes + et de la pile - indiquer le sens de circulation des électrons Observation : Interprétation : lors du fonctionnement de la pile : L expérience montre que dans cette pile, la borne + correspond à la lame de et la borne est la lame de. Si l on considère l extérieur du circuit, des électrons sortent donc de la lame de et pénètrent dans la lame de. Réaction aux électrodes : A la borne + : l électrode de cuivre des électrons, il s'y produit une Les ions Cu 2+ sont en qui se déposent sur l électrode selon la demiéquation d oxydoréduction : A la borne - : l électrode de zinc des électrons, il se passe une Les atomes de zinc de l'électrode sont en qui passent dans la solution selon la demi-équation d oxydoréduction: Conclusion : Il y a donc un d' entre et qui se fait par l'intermédiaire du circuit extérieur. C'est donc un transfert d'électrons entre et qui correspond à une réaction,dont l équation est : Lycée Georges Leygues 3

Questions : a) Indiquer ce que l'on va observer au niveau de chaque plaque métallique au bout de plusieurs heures de fonctionnement de la pile. b) D'après l'équation globale de la réaction d'oxydoréduction qui a lieu dans cette pile, indiquer comment évolue la quantité d'ions Cu 2+ (aq) et d'ions Zn 2+ (aq) dans chaque bécher au cours du fonctionnement de la pile. c) Le pont salin (= papier ou gel imbibée d'une solution ionique de nitrate de potassium) permet d'assurer l'électroneutralité des solutions ioniques dans chaque bécher. Expliquer comment cela est possible. d) Expliquer pourquoi au bout de plusieurs heures de fonctionnement la pile ne peut plus débiter de courant. 4) Que se passe-t-il si on modifie les électrodes de la pile? Réaliser les piles décrites dans le tableau ci-dessous en associant les demi-piles correspondantes. Mesurer à chaque fois la tension U PN (tension positive) de la pile correspondant à la f.e.m de la pile (c est-à-dire la tension de la pile lorsqu elle ne débite pas de courant). Compléter le tableau : Pile Borne + Borne - U PN (V) Réaction à la borne + Réaction à la borne - plomb- zinc Pb Zn fer-cuivre Cu Fe plomb-cuivre Cu Pb cuivreargent Conclusion : Ag Cu Lycée Georges Leygues 4

A retenir : - Une pile est un électrochimique : elle convertit l énergie en énergie - Une pile est constituée de séparées par une solution appelée - A la borne +, il se produit une - A la borne -, il se produit une - Le bilan de la réaction de fonctionnement est - La f.e.m de la pile, toujours positive, correspond à la entre la borne et la borne lorsqu elle ne débite pas de courant. III ETUDE QUANTITATIVE DE LA PILE DANIELL : Voir document. IV DIFFERENCES ENTRE PILES SALINES ET PILES ALCALINES : La pile est donc un dispositif principalement composé extérieurement de 2 (pôle + et pôle -) dont le fonctionnement interne est lié à des réactions. Voici le principe de fonctionnement de deux piles que l on trouve usuellement dans le commerce : la pile saline et la pile alcaline. 1) Dans le tableau ci-dessous, compléter les pointillés dans les demi-équations d oxydoréduction des réactions ayant lieu au pôle + et au pôle de la pile alcaline (puis saline). 2) Dans le tableau ci-dessous, écrire l'équation la réaction d'oxydoréduction qui a lieu au sein de la pile alcaline (puis saline). 3) Expliquer pour quelle raison une pile ne débite plus de courant au bout d'une certaine durée d'utilisation. 4) Expliquer pourquoi, il peut arriver qu'une pile saline coule après une certaine durée d'utilisation alors qu'une pile alcaline reste parfaitement étanche. 5) Pourquoi qualifie-t-on les piles Leclanché de piles salines? 6) Pourquoi qualifie-t-on les piles Mallory de piles alcalines? 7) Peut-on réutiliser une pile usée? Que faut-il faire avec cette pile usée? Lycée Georges Leygues 5

Pile saline dite Pile Leclanché Pile alcaline dite Pile Mallory Schéma Electrode métallique Tige métallique Récipient de zinc : Zn(s) Anode Pôle - Réducteur Couple Redox Zn 2+ (gel) / Zn(s) Poudre de zinc : Zn(s) ZnO(s) / Zn(s) Demi-équation D oxydoréduction Zn(s) = Zn 2+ (gel) +... Zn(s) +...HO - (gel) = ZnO(s) +...H 2O (gel)+... Electrode métallique Tige en graphite Récipient en acier Cathode Pôle + Oxydant Dioxyde de manganèse : MnO 2 (s) + poudre de carbone Couple Redox MnO 2 (s)/mno(oh)(s) Dioxyde de manganèse MnO 2 (s) + poudre de carbone MnO 2(s)/MnO(OH)(s) Demi-équation D oxydoréduction Electolyte Milieu Réaction de fonctionnement de la pile MnO 2(s) + +...e - = MnO(OH)(s) + H 2O (gel) Chlorure d'ammonium gélifié : (NH4 + + Cl - ) et chlorure de zinc gélifié : (Zn 2+ + 2Cl - ) (ces composés ioniques étaient appelés, autrefois, sel) Acide MnO 2(s) + H 2O(gel)+...e - = MnO(OH)(s) +... Solution aqueuse d'hydroxyde de potassium (Potasse) : (K+ + OH-) (le potassium étant un métal alcalin) Basique V ACCUMULATEURS : Alors que pour la pile, le processus de fonctionnement est à sens unique, pour un accumulateur, il est. Quand le réactif limitant est épuisé, on reconstitue le stock de réactifs en apportant à l accumulateur. Pour son principe de fonctionnement, voir activité T7. Lycée Georges Leygues 6

VI ACTIVITES DOCUMENTAIRES : Activité 1 : Lycée Georges Leygues 7

Activité 2 : Activité du livre p 158 Jusqu'à la fin des années 80, les deux principales technologies répandues sur le marché étaient les accumulateurs au plomb (pour le démarrage de véhicules, l'alimentation de secours de centraux téléphoniques...) et les accumulateurs nickel-cadmium (outillage portable, jouets, éclairage de secours...). Les inconvénients relevés sur la technologie au plomb (poids, fragilité, utilisation d'un liquide corrosif) ont conduit au développement d accumulateur alcalins, de plus grande capacité (quantité d'électricité restituée à la décharge) mais développant une fém plus faible. Les technologies au plomb, comme les accumulateurs alcalins, se caractérisent par une grande fiabilité, mais leurs densités d'énergie massiques restent relativement faibles (30 Wh/kg pour le plomb, 50 Wh/kg pour le nickel-cadmium). Au début des années 90, avec la croissance du marché des équipements portables, deux filières technologiques nouvelles ont émergées : les accumulateurs nickel-métal hydrure et les accumulateurs au lithium. Type Énergie massique Tension d un élément Durée de vie (nombre de recharges) Temps de charge Auto-décharge par mois Plomb 30-50 Wh/kg 2 V 200-300 8-16 h 5 % Ni-Cd 48-80 Wh/kg 1,25 V 1 500 1 h 20 % Ni-Mh 60-120 Wh/kg 1,25 V 300-500 2-4 h 30 % Li-ion 110-160 Wh/kg 3,7 V 500-1 000 2-4 h 10 % Li-Po 100-130 Wh/kg 3,7 V 300-500 2-4 h 10 % Auto-évaluez votre niveau en cochant la case correspondante : je sais Compétences A B C D Code Intitulé App1 Extraire des informations App5 Réinvestir, des connaissances propres à la matière étudiée Ana4 Rea8 Val5 Choisir, proposer et/ou justifier un protocole, un raisonnement, une démarche Utiliser le langage mathématique : calcul numérique, conversion Utiliser les symboles, les unités et les chiffres significatifs adéquats Com3 Présenter des résultats de façon orale A : Assurée B : Bien C : Continue D : Décevant Lycée Georges Leygues 8

Thème : TRANSPORT Sous-thème : Mise en mouvement Chapitre T6 : LES PILES ET ACCUMULATEURS CORRIGE Problématique : Comment fonctionnent les batteries utilisées dans nos véhicules? COURS : I. RAPPELS DE PREMIERE : TRANSFERT DIRECT D ELECTRONS : Considérons le système constitué des espèces chimiques des couples oxydant/réducteur : Zn 2+ (aq) / Zn (s) et Cu 2+ (aq) /Cu (s). Réalisons l expérience et notons nos observations. Lame de cuivre Observation : Lame de zinc - 50 ml de (Cu 2+ + SO 4 2- ) - 50 ml de (Zn 2+ + SO 4 2- ) Dépôt rouge de cuivre sur la lame de zinc Interprétation : a) Écrire les demi équations d oxydoréduction qui traduisent les réactions qui ont lieu dans cette transformation chimique. Préciser leur nom. Zn (s) = Zn 2+ (aq) + 2e - oxydation de Zn (perte d e-) Cu 2+ (aq) + 2e - = Cu (s) réduction de Cu 2+ (gain d e-) b) Quel est le métal qui cède les électrons? Zn c) Qui reçoit les électrons? Cu 2+ d) Préciser à quel endroit précis se font les transferts d'électrons. A la surface des lames métalliques Conclusion : Il y a un transfert direct d électrons entre Zn et Cu 2+ II REALISATION D UNE PILE ELECTROCHIMIQUE : TRANSFERT INDIRECT D ELECTRONS : 1) Rappels d'électricité : Pour mesurer une intensité, on utilise un ampèremère branché en série Si l'intensité mesurée est positive alors la borne A ou ma de l'ampèremètre est reliée du côté de la borne + de la pile. Pour mesurer une tension, on utilise un voltmètre branché en dérivation Si la tension mesurée est positive alors la borne V du voltmètre est reliée à la borne + de la pile. Dans le circuit extérieur à la pile : - le courant circule de la borne + à la borne - de la pile. - les électrons circulent de la borne - à la borne + de la pile. 2) Expérience : Dans un bécher, verser environ 50 ml d'une solution aqueuse de sulfate de cuivre et y plonger une lame de cuivre préalablement décapée. Lycée Georges Leygues 9

Dans un autre bécher, verser environ 50 ml d'une solution aqueuse de sulfate de zinc et y plonger une lame de zinc préalablement décapée. Relier les 2 lames métalliques par un conducteur ohmique de résistance R = 10 Ω relié en série à un ampèremètre. Observer. Relier les deux béchers à l'aide d'un pont salin (ses deux extrémités doivent tremper dans les deux solutions). Observer. Faire un schéma légendé du dispositif expérimental : (Zn 2+ (aq) + SO 4 2- (aq)) Pont salin (K + (aq) + NO 3 - (aq)) (Cu 2+ (aq) + SO 4 2- (aq)) Observation : Lorsqu on relie les 2 béchers avec le pont salin, l ampèremètre indique une intensité. Interprétation : Un courant électrique circule dans le circuit Conclusion : Ce dispositif expérimental est une pile électrochimique appelée : pile Daniell Cette pile est constituée de deux demi-piles reliées entre elles par un pont salin. Chaque demi pile contient l'oxydant et le réducteur d'un couple oxydant/réducteur : * demi-pile de gauche : couple Zn 2+ (aq) / Zn (s) * demi-pile de droite : couple Cu 2+ (aq) /Cu (s) 3) Comment fonctionne une pile? Cas de la pile Daniell : Remplacer l'ampèremètre et le conducteur ohmique par un voltmètre placé entre les deux lames métalliques de la pile Daniell, mesurer la tension U PN entre les plaques de cuivre et de zinc. Relier les fils de manière à ce que la tension mesurée par le voltmètre soit positive. Observer Refaire le schéma de la pile Daniell Com V e- - + Lycée Georges Leygues 10

Sur ce schéma : - indiquer la position de la borne V et COM du voltmètre - localiser les bornes + et de la pile - indiquer le sens de circulation des électrons Observation : Le voltmètre indique une tension U PN =. Interprétation : lors du fonctionnement de la pile : L expérience montre que dans cette pile, la borne + correspond à la lame de cuivre et la borne est la lame de zinc. Si l on considère l extérieur du circuit, des électrons sortent donc de la lame de zinc et pénètrent dans la lame de cuivre. Réaction aux électrodes : A la borne + : l électrode de cuivre «accueille» des électrons, il s'y produit une réduction Les ions Cu 2+ sont réduits en Cu qui se déposent sur l électrode selon la demi-équation d oxydoréduction : Cu 2+ (aq) + 2e - = Cu (s) A la borne - : l électrode de zinc perd des électrons, il se passe une oxydation Les atomes de zinc de l'électrode sont oxydés en ions Zn 2+ qui passent dans la solution selon la demi-équation d oxydoréduction: Zn (s) = Zn 2+ (aq) + 2e- Conclusion : Il y a donc un transfert d'électrons entre la lame de zinc et les ions Cu 2+ qui se fait par l'intermédiaire du circuit extérieur. C'est donc un transfert indirect d'électrons entre la lame de zinc et les ions Cu 2+ qui correspond à une réaction d oxydoréduction, dont l équation est : Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s) Questions : a) Indiquer ce que l'on va observer au niveau de chaque plaque métallique au bout de plusieurs heures de fonctionnement de la pile. La plaque de zinc voit sa masse diminuer La plaque de cuivre voit sa masse augmenter b) D'après l'équation globale de la réaction d'oxydoréduction qui a lieu dans cette pile, indiquer comment évolue la quantité d'ions Cu 2+ (aq) et d'ions Zn 2+ (aq) dans chaque bécher au cours du fonctionnement de la pile. La quantité d ions Cu 2+ diminue et celle de Zn 2+ augmente. c) Le pont salin (= papier ou gel imbibée d'une solution ionique de nitrate de potassium) (K + (aq) + NO 3 - (aq)) permet d'assurer l'électroneutralité des solutions ioniques dans chaque bécher. Expliquer comment cela est possible. Comme la quantité d ions Cu 2+ diminue dans le bécher de droite, le pont salin les remplace par des ions potassium K +. Dans l autre bécher, la quantité d ions Zn 2+ augmente donc il va manquer des ions négatifs donc le pont salin va apporter des ions négatifs NO 3 - Ainsi le pont salin maintient l électroneutralité des solutions. Lycée Georges Leygues 11

d) Expliquer pourquoi au bout de plusieurs heures de fonctionnement la pile ne peut plus débiter de courant. La pile ne débite plus de courant car il n y a plus d ions Cu 2+ et/ou de Zn 4) Que se passe-t-il si on modifie les électrodes de la pile? Réaliser les piles décrites dans le tableau ci-dessous en associant les demi-piles correspondantes. Mesurer à chaque fois la tension U PN (tension positive) de la pile correspondant à la f.e.m de la pile (c est-à-dire la tension de la pile lorsqu elle ne débite pas de courant). Compléter le tableau : Pile Borne + Borne - plomb- zinc Pb Zn fer-cuivre Cu Fe plomb-cuivre Cu Pb U PN (V) Réaction à la borne + Réaction à la borne - Pb 2+ (aq) + 2e - = Pb (s) Zn (s) = Zn 2+ (aq) + 2e - Cu 2+ (aq) + 2e - = Cu (s) Fe (s) = Fe 2+ (aq) + 2e - Cu 2+ (aq) + 2e - = Cu (s) Pb (s) = Pb 2+ (aq) + 2e - cuivreargent Ag Cu Ag + (aq) + e- = Ag (s) Cu (s) = Cu 2+ (aq) + 2e - Conclusion : A la borne +, il y a toujours une réduction et à la borne une oxydation A retenir : - Une pile est un générateur électrochimique : elle convertit l énergie chimique en énergie électrique - Une pile est constituée de 2 demi-piles séparées par une solution ionique appelée électrolyte - A la borne +, il se produit une réduction : ox + ne- = red - A la borne -, il se produit une oxydation : red = ox + ne- - Le bilan de la réaction de fonctionnement est une réaction d oxydoréduction - La f.e.m de la pile, toujours positive, correspond à la tension entre la borne + et la borne - lorsqu elle ne débite pas de courant. III ETUDE QUANTITATIVE DE LA PILE DANIELL : Voir document. IV DIFFERENCES ENTRE PILES SALINES ET PILES ALCALINES : La pile est donc un dispositif principalement composé extérieurement de 2 électrodes (pôle + et pôle -) dont le fonctionnement interne est lié à des réactions d'oxydation et de réduction. Voici le principe de fonctionnement de deux piles que l on trouve usuellement dans le commerce : la pile saline et la pile alcaline. 1) Dans le tableau ci-dessous, compléter les pointillés dans les demi-équations d oxydoréduction des réactions ayant lieu au pôle + et au pôle de la pile alcaline (puis saline). Lycée Georges Leygues 12

2) Dans le tableau ci-dessous, écrire l'équation la réaction d'oxydoréduction qui a lieu au sein de la pile alcaline (puis saline). 3) Expliquer pour quelle raison une pile ne débite plus de courant au bout d'une certaine durée d'utilisation. 4) Expliquer pourquoi, il peut arriver qu'une pile saline coule après une certaine durée d'utilisation alors qu'une pile alcaline reste parfaitement étanche. 5) Pourquoi qualifie-t-on les piles Leclanché de piles salines? 6) Pourquoi qualifie-t-on les piles Mallory de piles alcalines? 7) Peut-on réutiliser une pile usée? Que faut-il faire avec cette pile usée? Pile saline dite Pile Leclanché Pile alcaline dite Pile Mallory Schéma Anode Pôle - Electrode métallique Réducteur Couple Redox Récipient de zinc : Zn(s) Zn 2+ (gel) / Zn(s) Tige métallique Poudre de zinc : Zn(s) ZnO(s) / Zn(s) Demi-équation D oxydoréduction Zn(s) = Zn 2+ (gel) + 2 e - Zn(s) + 2 HO - (gel) = ZnO(s) +.H 2O (gel)+ 2 e - Electrode métallique Tige en graphite Récipient en acier Cathode Pôle + Oxydant Dioxyde de manganèse : MnO 2 (s) + poudre de carbone Couple Redox MnO 2 (s)/mno(oh)(s) Dioxyde de manganèse MnO 2 (s) + poudre de carbone MnO 2(s)/MnO(OH)(s) Demi-équation D oxydoréduction Electolyte Milieu MnO 2(s) + H 3O + +...e - = MnO(OH)(s) + H 2O (gel) Chlorure d'ammonium gélifié : (NH4 + + Cl - ) et chlorure de zinc gélifié : (Zn 2+ + 2Cl - ) (ces composés ioniques étaient appelés, autrefois, sel) Acide MnO 2(s) + H 2O(gel)+ 1e - = MnO(OH)(s) + HO - (gel) Solution aqueuse d'hydroxyde de potassium (Potasse) : (K+ + OH-) (le potassium étant un métal alcalin) Basique Réaction de fonctionnement de la pile Zn(s) + 2MnO 2(s) + 2H 3O + = Zn 2+ (gel)+2mno(oh)(s) + 2H 2O (gel) Zn(s) + 2MnO 2(s) + H 2O(gel) = ZnO(s) + 2MnO(OH)(s) Lycée Georges Leygues 13

Remarque PROF : Ecriture d'une demi équation dans le cas général : L'exemple du couple HClO (aq) /Cl 2(g) permet d'illustrer une méthode conduisant à l'écriture d'une demi équation d'un couple oxydant / réducteur quelconque. Soit le couple oxydant / réducteur Les deux entités du couple ont un élément chimique en commun, ici Cl, dont la stœchiométrie doit être ajusté par un 2. La stœchiométrie de l élément O est ajustée en ajoutant autant de H 2O que nécessaire. La stœchiométrie de l élément H est ajustée en ajoutant autant de H + (aq) que nécessaire. L équilibre des charges est réalisé en ajoutant autant d électrons que nécessaire. HClO (aq) /Cl 2(g) 2HClO (aq)/cl 2(g) 2HClO (aq)/cl 2(g) + 2H 2O 2HClO (aq) + 2 H + (aq) /Cl 2(g) + 2H 2O 2HClO (aq) + 2 H + (aq)+ 2 e - = Cl 2(g) + 2H 2O Cette méthode doit être appliquée strictement dans l'ordre indiqué : ajustement de l'élément chimique commun aux deux formes du couple, puis des éléments O, puis H et enfin de la charge. Autre Exemple : trouver par cette méthode la demi équation du couple MnO 4 - (aq)/mn 2+ (aq). (1) Écriture du couple MnO 4 - (aq)/ Mn 2+ (aq) (2) Ajustement de l'élément chimique commun - 1 MnO 4 (aq)/ 1 Mn 2+ (aq) (3) Stœchiométrie de l'élément O - MnO 4 (aq)/ Mn 2+ (aq) + 4 H 2O (l) (4) Stœchiométrie de l élément H - MnO 4 (aq) + 8 H + (aq) / Mn 2+ (aq) + 4 H 2O (l) (5) Équilibre des charges - MnO 4 (aq) + 8 H + (aq) + 5 e - = Mn 2+ (aq) + 4 H 2O (l) Remarques importantes : Ces demi équations mettent en jeu des entités chimiques qui ne sont pas uniquement les formes du couple oxydant / réducteur. Il s'agit d'une généralisation de la notion de couple oxydant / réducteur simple. Les couples oxydant / réducteur ne doivent pas être confondus avec les couples acide / base. Les premiers sont l'objet d'échanges d'ions H +, et les derniers sont l'objet d'échanges d électrons. Certains des exemples précédents, montrent la nécessité d un milieu acide afin d avoir la présence d ions H +. Dans d autres cas, la réaction a lieu en milieu basique, il faut alors commencer par équilibrer la réaction en milieu acide puis d ajouter dans les deux membres de l équation-bilan autant d ions hydroxyde qu il y a d ions oxonium. V ACCUMULATEURS : Alors que pour la pile, le processus de fonctionnement est à sens unique, pour un accumulateur, il est réversible. Quand le réactif limitant est épuisé, on reconstitue le stock de réactifs en apportant de l énergie à l accumulateur. Pour son principe de fonctionnement, voir activité T7. Lycée Georges Leygues 14

VI ACTIVITES DOCUMENTAIRES : Document 1 : Lycée Georges Leygues 15

Document 2 : Activité du livre p 158 Lycée Georges Leygues 16

Thème : TRANSPORT Sous-thème : Mise en mouvement Chapitre T6 : LES PILES ET ACCUMULATEURS Problématique : Comment fonctionnent les batteries utilisées dans nos véhicules? ETUDE QUANTITATIVE DE LA PILE DANIELL : Elle est constituée d une lame de zinc plongée dans une solution de sulfate de zinc (Zn 2+ (aq) + SO 4 2- (aq)) et d une lame de cuivre plongée dans une solution de sulfate de cuivre (Cu 2+ (aq) + SO 4 2- (aq)), constituant chacun une demi-pile. La concentration de chacune des solutions est de c = 0.10 mol.l -1 et le volume est V = 100 ml. Les deux électrodes sont reliées par un pont salin comportant une solution de chlorure de potassium (K + (aq) + Cl - (aq)). La tension aux bornes du voltmètre est U = 1,10 V lorsque l interrupteur est ouvert. Lorsque l interrupteur est fermé, l intensité traversant la résistance de R = 33 est I = 3,3.10-2 A. 1) Identifiez la borne positive et la borne négative. En déduire le sens conventionnel de circulation du courant électrique puis de circulation des électrons. 2) Quels types de réactions chimiques se produisent aux électrodes? Ecrire ces réactions. 3) En déduire l équation de fonctionnement de la pile. 4) En supposant que les électrodes métalliques possèdent une grande quantité de matière. Identifiez le réactif limitant. 5) Quelle quantité d électrons sera libérée par la réaction? 6) Calculer la quantité d électricité, Q, correspondante. On donne la constante de Faraday F : F = e. NA = 96500 C.mol -1. 7) En déduire la durée de fonctionnement de la pile. 8) Donner la quantité d électricité, Q, en A.h. Les fabricants appellent cette grandeur, la capacité de la batterie. C est la quantité d électricité disponible avant de devoir changer ou recharger la batterie. 9) Quelle est l énergie disponible dans la pile, exprimer le résultat en J et en Wh? On donne pour une pile : E = Q x U 10) Pourquoi utilise-t-on un pont salin? Auto-évaluez votre niveau en cochant la case correspondante : je sais Compétences A B C D Code Intitulé Rco App5 Ana4 Restituer une connaissance Réinvestir, des connaissances propres à la matière étudiée Choisir, proposer et/ou justifier un protocole, un raisonnement, une démarche Rea8 Utiliser le langage mathématique : calcul numérique, conversion Val5 Utiliser les symboles, les unités et les chiffres significatifs adéquats Com3 Présenter des résultats de façon orale A : Assurée B : Bien C : Continue D : Décevant Lycée Georges Leygues 17

Chapitre T6 : LES PILES ET ACCUMULATEURS ETUDE QUANTITATIVE DE LA PILE DANIELL : Lycée Georges Leygues 18

Chapitre T6 : LES PILES ET ACCUMULATEURS CORRIGE ETUDE QUANTITATIVE DE LA PILE DANIELL : Lycée Georges Leygues 19

Chapitre T6 : LES PILES ET ACCUMULATEURS Fiche matériel : F.Corriette Classe : STI2D Date : Au bureau Verrerie Solutions 2 lames de cuivre 2 lames de zinc 1 fil d'argent 1 lame de fer 100 ml de solution de (K + +NO 3 - ) à 0,10 mol.l -1 250 ml de solution de (Zn 2+ +SO 4 2- ) à 0,10 mol.l -1 1 lame de plomb papier à poncer 5 béchers de 250 ml 6 béchers de 100 ml 2 éprouvettes graduées de 100 ml 2 multimètres (1 voltmètre et 1 ampèremètre) 6 pinces croco 250 ml de solution de (Cu 2+ +SO 2-4 ) à 0,10 mol.l -1 100 ml de solution de (Ag + +NO - 3 ) à 0,10 mol.l -1 100 ml de solution de (Pb 2+ +2NO - 3 ) à 0,10 mol.l -1 100 ml de solution de sel de Mohr à 0,10 mol.l -1 20 câbles (rouges et noirs) 1 résistance R = 10 Ω sur support 2 ponts salins (gel) dans (K + +NO 3 - ) Bandes de papier Joseph Feutre à verrerie Remarques : Vérifier les fusibles des multimètres, notamment celui de l ampèremètre sur petit calibre Bidons de récupération des ions Préparations : Pour le cahier : Chapitre T6 : LES PILES ET ACCUMULATEURS Fiche matériel : F.Corriette Classe : STI2D Date : Au bureau Verrerie Solutions 2 lames de cuivre 2 lames de zinc 100 ml de solution de (K + +NO - 3 ) à 0,10 mol.l -1 1 fil d'argent 1 lame de fer 250 ml de solution de (Zn 2+ +SO 2-4 ) à 0,10 mol.l -1 1 lame de plomb papier à poncer 5 béchers de 250 ml 6 béchers de 100 ml 2 éprouvettes graduées de 100 ml 2 multimètres (1 voltmètre et 1 ampèremètre) 250 ml de solution de (Cu 2+ +SO 2-4 ) à 0,10 mol.l -1 100 ml de solution de (Ag + +NO - 3 ) à 0,10 mol.l -1 100 ml de solution de (Pb 2+ +2NO - 3 ) à 0,10 mol.l -1 100 ml de solution de sel de Mohr à 0,10 mol.l -1 4 pinces croco 8 cables (rouges et noirs) 1 résistance R = 10 Ω 2 ponts salins (gel) dans (K + +NO 3 - ) Bandes de papier Joseph Feutre à verrerie Remarques : Vérifier les fusibles des multimètres, notamment celui de l ampèremètre sur petit calibre Bidons de récupération des ions Lycée Georges Leygues 20