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QU’EST-CE QU’UNE PILE ? COMMENT FONCTIONNE-T-ELLE ?
Un grand nombre d’appareils électriques fonctionnent avec des piles.
Elles convertissent de l’énergie chimique en énergie électrique grâce à des réactions d’oxydoréduction.
Ces piles sont salines, alcalines, ou encore à combustibles.
Il existe aussi des piles rechargeables : les accumulateurs.
La première pile : La pile de Volta et son inventeur Alessandro Volta (1745-1827)
C’est un empilement de disques de cuivre et de zinc, séparés par une étoffe imbibée d’eau salée.
D’où le nom de « pile ».
Une nouvelle discipline est née : l’électrochimie, intersection entre les deux sciences électricité et chimie.
Buts : : Revoir les notions « tension » et « courant électrique » indispensables pour la suite ; Introduire la notion de fem E d’une pile
Réaliser et étudier le fonctionnement de deux piles.
I. Tension - courant électrique
1) Tension électrique
Une tension électrique est mesurée avec un voltmètre placé en dérivation.
L’unité de la tension est le Volt : symbole V
Pour mesurer la tension UAB entre les points A et B d’un circuit, on relie :
- le point A à la borne V du voltmètre - le point B à la borne COM du voltmètre
La tension U AB peut apparaitre sur le cadran du voltmètre avec un signe – devant la valeur.
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2) Force électromotrice (fem) E d’une pile
Soient P et N les bornes positive et négative d’une pile.
La force électromotrice d’une pile est la tension entre ses bornes lorsqu’elle ne débite aucun courant électrique I : E = (U PN) I = 0 avec E positive E > 0
Remarque importante : Si on lit sur le cadran du voltmètre une valeur avec un signe – devant c’est que c’est la borne négative N de la pile qui a été reliée à la borne V du voltmètre : c’est la tension UNP que l’on a mesurée.
Matériel :
Une pile plate avec pinces crocodiles, un multimètre en mode voltmètre, deux fils de connexion.
Repérer les bornes P et N de la pile
Avec le voltmètre, mesurer successivement les tensions UPN et UNP
1. Compléter :
Petite lame de la pile = borne …………..……. de la pile Grande lame de la pile = borne ……… de la pile
UPN = ………… V . La borne P, borne ……… de la pile est reliée à la borne ……. du voltmètre.
UNP = ……… V . La borne N, borne ……….. de la pile est reliée à la borne …… du voltmètre.
2. Soient M1 et M2 les deux bornes métalliques d’une pile électrochimique. On mesure la tension UM1M2 et on obtient UM1M2 < 0 Quelle est la borne négative de la pile : M1 ou M2 ? Quelle est fem E de la pile ?
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3) Courant électrique
Un courant électrique est un déplacement de porteurs de charges dans un circuit fermé.
Les porteurs de charge sont :
- les électrons e- dans les métaux et les fils - les ions dans les liquides.
A l’extérieur d’une pile, le sens de circulation du courant électrique est le sens : borne positive borne négative
Les électrons e - se déplacent dans le sens opposé au sens conventionnel du courant électrique.
L’intensité I d’un courant électrique se mesure avec un ampèremètre branché en série dans un circuit.
Remarque importante :
Le signe de l’intensité I lu sur le cadran de l’ampèremètre permet de déterminer le sens de circulation du courant électrique dans le circuit étudié.
Bien observer les deux schémas ci-dessus à droite.
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Matériel :
Une pile plate avec pinces crocodile, un multimètre en mode ampèremètre, 4 fils de connexion, une résistance de 10 Ω sur platine.
Réaliser le circuit série : pile- résistance 10 Ω – ampèremètre.3. Faire un schéma du montage. Indiquer les bornes « A » et « COM » de l’ampèremètre, les bornes P et N de la pile et le sens conventionnel du courant I ainsi que la tension lue .
II. PILE ZINC-CUIVRE plaque de cuivre plaque de zinc
1) Expérience préliminaire :
Introduire une plaque de cuivre et une plaque de zinc bien décapées dans un bécher contenant 2 solutions : du sulfate de cuivre et du sulfate de zinc.
Observer après quelques minutes la formation d’un dépôt orange sur la lame de zinc, aucun dépôt gris sur la plaque de cuivre.
1. Les deux couples en présence sont : Cu 2+ (aq) / Cu(s) et Zn 2+ (aq) / Zn(s) . Ecrire les ½ équations d’oxydoréduction associées.
Déduire d’après vos observations, l’équation de la réaction qui a lieu dans le bécher.
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2) Etude de la pile zinc-cuivre
Réaliser le montage ci-contre :
2. Brancher le voltmètre (en position V=) aux bornes de la pile et relever la valeur de la tension mesurée.
U Cu-Zn = ………..
3. En déduire les bornes positive et négative de la pile.
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4. Que se passe-t-il si on enlève le pont salin ?
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5. Quelle est la valeur de la f.e.m E Cu-Zn de la pile ? ………..
Retirer le voltmètre et brancher en série aux bornes de la pile zinc-cuivre une résistance de 10 Ω et l’ampèremètre (en position μA) .
6. Quels sont la valeur et le signe de l’intensité I débitée par la pile ? Dans quel sens circule le courant électrique entre les deux lames ? Est-ce cohérent avec les polarités de la pile ? Justifier.
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7. En vous aidant du schéma ci-dessus, dessiner le schéma du montage.
Indiquer sur le schéma : - les pôles de la pile
- le sens de circulation du courant électrique I
- le sens de circulation des électrons ( e-) dans les métaux et dans les fils.
- le sens de circulation des ions ammonium NH4+ - et des ions nitrates NO3 –
dans la bande de papier (pont salin).
8. Quelle réaction a lieu à l’interface cuivre-sulfate de cuivre ? Même question pour l’interface zinc-sulfate de zinc.
En déduire l’équation de la réaction qui se produit lors du fonctionnement de la pile. Comparer avec celle du I.1)
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III. PILE CUIVRE- ARGENT 1) Etude de la pile cuivre-argent
Construire la pile électrochimique cuivre-argent :
- fil d’argent plongeant dans 20 mL d’une solution de nitrate d’argent à 0,01 mol.L-1 - lame de cuivre plongeant dans 20 mL de sulfate de cuivre à 0,10 mol.L-1
- pont salin constitué d’une bande de papier filtre imbibé d’une solution de nitrate d’ammonium.
9. Déterminer les bornes positive et négative de la pile à partir d’une mesure de tension.
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10. Faire un schéma de la pile lorsqu’elle débite dans une résistance de 10 Ω (s’inspirer du schéma de la pile précédente). Indiquer, les pôles de la pile, et le sens de circulation du courant électrique et des électrons.
11. Quelle réaction a lieu à l’interface argent - nitrate d’argent ? Même question pour l’interface cuivre-sulfate de cuivre.
En déduire l’équation de la réaction qui se produit lors du fonctionnement de la pile.
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Conclusion
Une pile est bien le siège d’une réaction d’oxydoréduction mais le transfert d’électrons entre l’oxydant d’un couple et le réducteur de l’autre couple n’est pas direct : les électrons ne sont pas échangés au contact entre les réactifs comme pour II. 1) mais les électrons sont transférés à travers le circuit électrique qui relie les deux compartiments contenant chacun un couple Ox/Red
Un courant électrique est ainsi crée dans le circuit par la pile.
