Chapitre 5 : La pile électrochimique Quel point commun ont ces appareils ? Ils fonctionnent grâce à des piles ou des accumulateurs (piles rechargeables).

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Chapitre 5 : La pile électrochimique

Quel point commun ont ces appareils ? Ils fonctionnent grâce à des piles ou des accumulateurs (piles rechargeables).

1/ Quel(s) type(s) d’énergie une pile fournit-elle ? Electrique et thermique.

2/ D’après toi, d’où vient l’énergie fournie par une pile ? Elle provient d’une transformation chimique.

3/ Pourquoi une pile s’use-t-elle ?

Une pile s’use car des réactifs sont consommés lorsqu’elle débite du courant.

1/ Qu’est-ce qu’un pile ?

A/ Un peu d’histoire…

2 acteurs principaux : Luigi Galvani, anatomiste biologiste italien et Alessandro Volta, physicien italien.

EXPERIENCES DE GALVANI (1791)

Luigi Galvani réalisait des expériences d’anatomie sur des grenouilles.

Un jour, il avait suspendu, avec un fil de cuivre, un cadavre de grenouille sur son balcon. Au moment où le vent se fit sentir, le corps de la grenouille toucha la barre de fer du balcon et se mit à tressaillir comme s’il était soumis à un choc électrique. Galvani en conclut l’existence d’une

« électricité animale » provenant des grenouilles.

INTERPRETATION DE VOLTA (1800)

Alessandro Volta pensait autrement.

Pour lui, la grenouille de Galvani se mettait à sursauter à cause d’une électricité extérieure.

Après plusieurs expériences, il s’aperçut qu’en plaçant deux métaux différents (cuivre et zinc par exemple) au contact d’une solution telle que l’eau salée, il se produisait de l’électricité.

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1/ Dans quelle famille met-on le cuivre, le zinc, le fer ? Des métaux.

2/ Galvani et Volta étaient-ils d’accord sur l’origine de l’électricité qui secoue la grenouille ? Justifier Pour Galvani, l’électricité est d’origine animale alors que pour Volta, elle est d’origine métallique (chimique).

3/ Représenter schématiquement quelques éléments de la pile de volta ?

C’est un empilement de disques de zinc, de cuivre et de carton imbibé d’eau salée.

4/ D’après toi, d’où vient le terme pile ?

Il vient de l’empilement de disques de métaux et de mouillettes d’eau salée.

La pile de Volta n’a surtout qu’un aspect historique : Elle n’a pas beaucoup d’utilité, s’use

rapidement même sans être utilisée. Elle produit un gaz inflammable (H2) et des ions hydroxyde HO^-

. Elle servira aux biologistes pour découvrir les secrets de la vie et sera à l’origine du moteur électrique.

B/ Activité documentaire : « C’est pas sorcier : les piles »

1. En France, on consomme plus de 870 milliers / millions de tonnes de pile par an (càd. ≈ 5 / 15 piles par français).

2. La toute première pile a été inventée en 1800 / 1900 par l’ingénieur Alessandro Volta / André-Marie Ampère.

3. Il s’agissait d’un empilement de disques de zinc / fer et de cuivre / plomb séparés par des cartons imbibés d’eau sucrée / salée.

4. En 1860 / 1960 apparaît le premier accumulateur au plomb / lithium.

5. Parmi toutes les piles recyclées, 5 à 10 % / 10 à 15 % sont encore neuves.

6. Les 2 pièces d’une pile qui ont tendance à attirer ou donner des électrons s’appelle les arthropodes / électrodes.

7. La borne « - » d’une pile, appelée cathode / anode , à tendance à donner / attirer les électrons.

8. La borne « + » d’une pile, appelée cathode / anode , à tendance à donner / attirer les électrons.

= =

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9. L’ectophyte / électrolyte est un bain qui contient des ions / électrons positifs et négatifs.

10. La pile s’arrête de fonctionner lorsque la cathode / l’anode est totalement désagrégée.

11. La différence entre pile saline et alcaline est le type de cathode / anode / solution utilisée.

12. Il existe aussi les piles au mercure / lithium, plus performante mais aussi plus chères.

13. Plus une pile est grosse plus elle est puissante / peut fournir de l’électricité longtemps.

14. Une pile peut-être conservé en moyenne 2 à 3 / 5 à 7 / 10 à 15 ans.

15. Plus une pile est déchargée, plus sa tension est faible / élevée.

16. Plusieurs piles reliées entre elles / accumulateurs reliés entre eux forment une batterie.

17. Malheureusement aujourd’hui, seulement 10 / 30 / 50 % des piles sont recyclées.

18. Aujourd’hui en France, les piles au mercure / plomb / cadmium sont interdites (sauf pour les piles

« boutons »).

BILAN : Une pile est donc composée de :

 2 métaux différents appelées électrodes.

 Un liquide ionique conducteur reliant ces 2 électrodes appelé électrolyte.

2/ Fabrication de piles

A/ Expérience n°1 : La pile au citron

B/ Expérience 2 : Pile cuivre/ zinc/ sulfate de cuivre

 Electrolyte : Citron (son jus)

 Electrode n°1 : clou en fer

 Electrode n°2 : Pièce de monnaie en cuivre

Pour mesurer la tension : 2 pinces crocos, 2 fils, 1 voltmètre.

Borne + : Pièce de cuivre (cathode) Borne - : Clou en fer (anode)

Tension : + 0,8 V

Electrolyte : jus de citron (ions H⁺ , magnésium Mg²⁺, potassium K⁺ …)

Si on inverse les bornes de la pile, l’affichage du voltmètre est de - 0,8 V. Cela nous permet donc de savoir quelle sont les bornes + et -.

 Electrolyte : Sulfate de cuivre

 Electrode n°1 : Zinc

 Electrode n°2 : Cuivre

Pour mesurer la tension : 2 pinces crocos, 2 fils, 1 voltmètre.

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C/ Expérience 3 : Couplage de 2 piles

Associe-toi avec un autre groupe, de façon à avoir deux « piles ». Associe ces 2 piles en série.

Qu’observes-tu ? La DEL s’allume

D’après toi, quel est l’intérêt de relier deux « éléments » ? Cela permet d’avoir une plus grande tension et plus électricité produite

C/ D’autres piles Borne + : Cuivre (cathode) Borne - : Zinc (anode) Tension : + 0,9 V

Electrolyte : Sulfate de cuivre (Cu²⁺ + SO42-)

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Type Pole

+ Pole - Electrolyte Durée

de vie Tension utilisation Avantage

Prix (lot

de 10)

Saline MnO2

/ C Zinc Chlorure

d’ammonium 22 h 1,5 V

Appareils peu gourmands (réveils, jouets, télécommande…

Pas chère 1€

Alcaline MnO2

/ C Zinc Hydroxyde de

potassium 55 h 1,5 V

Appareils gourmands (appareil photo,

lecteur MP3, voiture télécommandée

Durée de vie + alimentation

d’appareils exigeants

2,5

€

Lithium MnO2 Lithium Sels de lithium 1000 h 3 V

Appareils peu gourmands (pace

maker, montres, calculatrice

plate…)

Longue durée de vie à petits courants- bon rendement

5€

1/ Quels sont les 3 types de piles couramment rencontrées dans le commerce ? Alcaline, saline et au lithium.

2/ Quelles différences existent entre une pile saline et une pile alcaline ?

C’est surtout la nature de l’utilisation de la pile et sa durée de vie (différence d’électrolyte 3/ Pourquoi les piles salines sont-elles encore souvent utilisées ?

Car elles ne sont pas chères et suffisent largement pour alimenter des petits appareils.

4/ D’après toi, pourquoi les électrolytes sont-ils sous forme de gel ? Pour éviter, si la pile s’ouvre, qu’elle laisse écouler du liquide.

5/ Il existe des piles salines carrées de 4,5 V. D’après toi, comment sont-elles faites ? C’est une association en série de 3 piles salines de 1,5 V.

6/ Complète le tableau ci-dessous pour comparer toutes les piles vues jusqu’à maintenant : Electrode n°1 (pôle -) Electrode n°2 (pôle +) Electrolyte

La grenouille de Galvani Fer Cuivre Liquide dans la

grenouille (composé de sels minéraux)

La pile de Volta Zinc Cuivre Eau salée

La pile au citron Zinc Cuivre Jus de citron

Pile alcaline Zinc MnO2 / C Chlorure d’ammonium

Pile saline Zinc MnO2 / C Hydroxyde de

potassium

Pile au lithium MnO2 Sels de lithium

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3/ D’où provient l’énergie d’une pile ?

A/ Observations sur la pile de laboratoire.

Indications :

 Les ions sulfate SO42- sont incolores.

 Les ions Zn²⁺ sont incolores.

 Les ions Cu²⁺ sont bleus.

 Le métal cuivre Cu est de couleur orangée.

C’est donc une transformation chimique qui permet la production d’électricité :

L’équation chimique de la transformation s’écrit :

Réactif 1 + Réactif 2 = Produit 1 + Produit 2

Cu

²⁺ +

Zn

=

Cu

+

Zn

²⁺

Lame de Zinc Zn

Observation : Il est rongé Explication : des atomes de zinc Zn disparaissent.

Ils perdent 2 électrons et les donnent aux ions Cu

²⁺

.

Il apparait donc, dans la solution des ions Zn

²⁺

Zn = Zn ²⁺ + 2 e-

Lame de cuivre Cu

Observation : Il reste intact. Le dépôt orangé de cuivre ne provient donc pas de là.

C’est au niveau de cette lame que les 2e- du zinc arrivent, via le fil

électrique (

et oui, les électrons ne circulent pas dans la solution, mais dans un conducteur (métal))

Solution de Sulfate de cuivre

Observation : La solution se décolore. Un dépôt rouge de cuivre apparaît au fond.

Explication : des ions Cu

²⁺

disparaissent et se

transforment en métal Cu.

Ils gagnent 2 électrons

Cu

²⁺

+ 2 e- = Cu

Circulation d’électrons dans le fil = courant électrique

Réactifs Zinc Zn Ions Cu²⁺

Produits Ions Zn2+

Cuivre Cu

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B/ TP : Vérification de la transformation chimique + mise en évidence d’une autre énergie.

1/ Mesure la température de la solution de sulfate de cuivre :

T

initiale

= 20 °C

2/ Verse une spatule de poudre de zinc et agite. Note toutes tes observations au moment où tu verses et agite. Vérifie si cela corrobore avec les explications précédentes :

 Couleur orangée qui apparait : du cuivre se forme

 Couleur bleue de la solution disparait : Ions Cu²⁺ qui disparaissent.

3/ Mesure la température maximale atteinte :

T

finale

= 30 °C

4/ Quel type d’énergie a été produit lors de la transformation chimique ? C’est de l’énergie thermique

On souhaite mettre en évidence les ions Zn²⁺ formés lors de cette transformation chimique.

5/ Quel détecteur (vu au chapitre 3) vas-tu utiliser ? C’est de la soude. On attend un précipité blanc pâteux.

6/ Réalise l’expérience. Quel résultat obtiens-tu ? Conclus.

On obtient bien un précipité blanc présence de Zn²⁺

7/ Complète le diagramme énergétique simplifié de la pile :

8/ Au bout d’un certain temps d’utilisation, la pile n’arrive plus à débiter de courant. A votre avis pourquoi ? 2 hypothèses sont attendues..

Si la pile n’arrive plus à débiter de courant c’est que :

 Soit il n’y a plus de zinc Zn pour fournir les électrons.

Réservoir d’énergie chimique de la pile

Réserve d’énergie chimique de la pile Pile

Energie thermique

Energie électrique Energie chimique

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 Soit il n’y a plus d’ions cuivre Cu²⁺ pour récupérer les électrons.

La pile s’arrêtera lorsqu’un des deux réactifs Zn ou Cu²⁺ aura disparu.

C/ Les vraies piles

 Le problème de la pile précédente est qu’elle s’use même s’il n’y a pas d’appareils.

 On fabrique donc des compartiments : chaque compartiment est relié par des solutions salines et des fils électriques afin de former un circuit fermé.

 La pile ne s’usera que si on ferme le circuit électrique.

 La pile Daniell (1836) est l’amélioration apportée à la pile Zinc/Cuivre/Sulfate de cuivre

Au niveau du pont salin :

 Il permet de fermer le circuit électrique.

 Il est constitué d’un électrolyte conducteur qui ne réagit pas.

 Vu que des ions positifs Cu²⁺ disparaissent dans le compartiment « cuivre », des ions négatifs (ici Cl^-, mais cela peut être aussi NO3-

) viennent dans la solution pour assurer l’électro neutralité.

 Vu que des ions positifs Zn²⁺ apparaissent dans le compartiment « zinc », des ions positifs (ici K⁺) viennent dans la solution pour assurer l’électro neutralité.

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3/ Bilan général

• Une pile est un réservoir d’énergie chimique. Elle tire son énergie d’une transformation chimique. Pour la pile vue précédemment :

Zn + Cu

²⁺

= Zn

²⁺

+ Cu

• Une pile s’use car les réactifs disparaissent : Elle s’arrête de fonctionner quand un(ou les) réactif(s) a(ont) totalement disparu.

• Une pile s’arrête de fonctionner quand un des deux réactifs a disparu.

•

 La pile est un convertisseur d’énergie. Elle ne délivre de l’énergie que si elle est reliée à un circuit électrique fermé.

PS : A la fin, les produits ont aussi une énergie chimique, mais plus faible.

Exercices : 4 , 8 , 10 , 11, 21 p 91-93

Energie chimique des réactifs

Energie électrique

Energie thermique

Energie chimique des produits

Pile

Galvani

découvre que la contraction du muscle se produit chaque fois que le nerf et le muscle sont en contact par l’intermédiaire de métaux différents.

Volta

découvre que c’est le contact entre les deux métaux différents qui crée l’électricité.

Pile Daniell

1791 1800 1836

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Au niveau du pole – (Compartiment « zinc »):

 L’électrode de zinc se désagrège.

 Des atomes de zinc Zn se transforment en ions Zn²⁺ et libèrent 2e- qui partent dans le circuit.

Au niveau du pole + (compartiment « cuivre »):

 L’électrode de cuivre grossit.

 Des ions cuivre Cu²⁺ de la solution se

transforment en atomes de cuivre Cu en gagnant les 2e- fournis par le zinc.