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AE-La pile électrique
Contexte :
Le médecin Galvani constate en 1786 que les grenouilles réagissent par simple contact de deux morceaux de métaux différents et met cette observation sur le compte de la présence d’électricité dans l'organisme animal.Le physicien italien Alessandro Volta n'est pas de cet avis. Il considère que ce sont les deux métaux qui agissent comme générateur d'électricité quand ils sont mis en contact avec un conducteur humide. C’est ainsi qu'en 1800, il invente la pile électrique.
Comment fonctionne une pile électrique ?
Etude de la pile Daniel
Document 1 : utiliser un multimètre en voltmètre ou en ampèremètre
S’il n’y a pas de sens particulier pour brancher un multimètre numérique, le sens de branchement choisi et le signe de la valeur mesurée donne des indications sur le circuit.
Utilisé en voltmètre, le multimètre se branche en dérivation. Après avoir choisi un calibre adapté, les
bornes « V » et « COM » du multimètre se branchentaux bornes A et B du dipôle pour lequel on
mesure la tension électrique notée UAB. Lorsqu’il est branché aux bornes d’un générateur, si la valeur
indiquée est positive c’est que la borne + du générateur est reliée à la borne V du voltmètre.
Utilisé en ampèremètre, le multimètre se branche en série. Après avoir choisi un calibre adapté, il
faut ouvrir le circuit en débranchant un fil relié au dipôle pour lequel on veut connaitre l’intensité du courant. Le fil débranché doit être relié à la borne « mA » ou « COM » du multimètre et on referme le circuit en reliant la borne « COM » ou « mA » du multimètre au dipôle.Si la valeur indiquée est positive c’est que le courant conventionnel entre dans l’ampèremètre par la borne A.
Document 2 : compléments scientifiques
On définit par ANODE l'électrode ou se produit une OXYDATION On définit par CATHODE l'électrode où se produit une REDUCTION
Document 3 : compléments scientifiques
Les ions cuivre (II) Cu2+
(aq) donnent une coloration bleue à la solution qui les contient.
Couples oxydant/réducteur : Cu2+
(aq) / Cu(s) et Zn2+(aq) / Zn(s)
Masses molaires : M(Cu) = 63,5 g.mol-1 et M(Zn) = 65,4 g.mol-1
Protocole 1 : Transfert spontanée d'électrons par contact direct de réactifs.
Dans un bécher, verser 5 mL d'une solution S1 de sulfate de cuivre (II) telle que [Cu2+] = 1,0x10-1 mol.L-1 et
5 mL d'une solution S2 de sulfate de zinc(II) telle que [Zn2+]=1,0x10-1 mol.L-1. Ajouter une pointe de spatule de
poudre de zinc et plonger un fil de cuivre Cu(s). Agiter puis filtrer la solution.
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Protocole 2 : Transfert spontanée d'électrons par l'intermédiaire d'un circuit extérieur (pile).
Décaper et mesurer la masse des lames métalliques.
Dans un bécher, verser 20,0 mL d'une solution S1 de
sulfate de cuivre (II) telle que [Cu2+] = 1,0x10-1 mol.L-1
Y plonger la lame de cuivre décapée reliée à un fil électrique.
Dans un autre bécher, verser 20,0 mL d'une solution S2
de sulfate de zinc(II) telle que [Zn2+]=1,0x10-1 mol.L-1 .
Y plonger la lame de zinc décapée reliée à un fil électrique.
Relier les deux bornes de la pile à un circuit électrique comportant une résistance et un ampèremètre.
Compléter le montage en positionnant un pont salin contenant du nitrate de potassium
(K+(aq) + NO3-(aq)) entre les deux béchers (chaque extrémité du pont doit plonger dans une solution).
Questions :
1. Réaliser le protocole 1, observer.
En déduire l'équation de la réaction modélisant la transformation chimique.
2. Justifier l'expression "transfert spontané d'électrons par contact direct entre réactifs".
3. La constante d'équilibre associée à l'équation est 1037. Montrer que le sens d'évolution spontanée
prévu est compatible avec les observations expérimentales.
4. Réaliser le montage décrit dans le protocole 2. Relever la valeur du courant électrique I =... Légender le schéma donné en annexe en utilisant le vocabulaire suivant : lame de zinc, lame de cuivre, solution de sulfate de zinc, solution de sulfate de cuivre, pont salin.
5. Retirer le pont salin, observer, en déduire le rôle du pont salin.
6. En fonction du signe du courant relevé sur l'ampèremètre, noter le sens conventionnel du courant sur le schéma du circuit en annexe.
En déduire le sens de déplacement des électrons dans les électrodes. Déterminer la nature de la réaction ayant lieu à chaque électrode.
7. Ecrire, sur le schéma en annexe, les équations correspondantes aux électrodes et l'équation de la réaction associée à la transformation chimique ayant lieu lors du fonctionnement de la pile.
8. En déduire quelle électrode correspond à l'Anode et à la Cathode.
9. Justifier l'expression "transfert spontanée d'électrons par l'intermédiaire d'un circuit extérieur" . 10. Mesurer la tension aux bornes de la pile, appelée tension à vide.
En déduire la polarité des électrodes. Ce résultat est-il en accord avec le sens du courant ? 11. Quels sont les porteurs de charge dans les métaux ? dans les solutions?
12. Compléter le schéma en annexe : faire apparaitre la polarité des électrodes et également le déplacement des porteurs de charges dans les solutions et dans le pont salin.
13. Comment varie la quantité de matière de chaque ion dans chaque solution ?
14. Calculer la variation de masse de l'électrode de cuivre lorsque cette pile est complètement usée. 15. Déterminer la capacité de la pile puis la calculer.
16. En déduire la durée de vie de cette pile lorsqu'elle alimente le circuit extérieur constitué par la résistance R.
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ANNEXE :
Modélisation du comportement de la pile Daniell
