Chimie Piles et accumulateurs Chap.19 Barème et NOTE :

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14/04/2018 C19_piles_accumulateurs.doc 1/3

NOM : ... Prénom : ... Classe : 1^ère S 1

1^ère S Thème : Défis du XXI^ème siècle TP n°25

Chimie Piles et accumulateurs Chap.19

Barème et NOTE : Critère A = 2 : Critère B = 1 : Critère C = -1 ; Critère D = -2

Questions

I III IV V VI Rédaction

NOTE

Critère A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D

.../20

Coefficient 2 3 4 4 2 2

NOTE = 1 + ENT( 19

4  SCF (SOMMEPROD((critère);(coefficient))+ 2  SCF)) où ENT est la partie entière du nombre et SOMMEPROD la somme des produits entre le critère et le coefficient et SCF la somme des coefficients

I. Historique : la pile de Volta (1800)

 Répondre aux questions après le visionnage de la vidéo :

« La pile de Volta a encore frappé » (www.ampere.cnrs.fr) en partie tournée au lycée Zola de Rennes.

1) Comment est formée la pile de Volta ?

2) Pourquoi Volta a-t-il appelé ceci une « pile » ? 3) Faire un schéma simplifié de la pile.

4) Quelle est la tension délivrée par cette pile ? Est-elle constante ? 5) Quelle est l’intensité fournie par cette pile ? Est-elle constante ? II. Quelles sont les caractéristiques des piles et accumulateurs ?

 Une pile et un accumulateur servent à stocker de l’énergie sous forme chimique. Ils libèrent cette énergie sous forme électrique et sont donc qualifiés de générateurs électrochimiques. Ils sont constitués de deux conducteurs (les électrodes) au contact d’un milieu conducteur, l’électrolyte.

 Une pile n’est pas rechargeable. Il existe différents types de piles :

 Pile saline (ou pile Leclanché - 1870) : les plus anciennes, les moins performantes, (électrolyte gélifié constitué d’ions)

 Pile alcaline : durée de vie plus grande (piles du commerce), (électrolyte gélifié constitué d’une solution très basique)

 Pile à combustible : Elles sont alimentées continûment en énergie.

 Un accumulateur, ou batterie, est une « pile rechargeable ». Il est capable de stocker l’énergie électrique qu’on lui fournit sous forme chimique (fonctionnement récepteur) puis de libérer cette énergie sous forme électrique (fonctionnement générateur).

III. Transfert direct d’électrons

 Dans un tube à essais, verser environ 3 mL de solution de sulfate de cuivre II. Ajouter une pointe de spatule de zinc solide.

1) Agiter le tube à essais et noter vos observations.

2) Que nous apprend la couleur du filtrat sur la composition de cette solution ? Donner une explication.

3) Ajouter quelques mL de solution d’hydroxyde de sodium (solution de soude) au filtrat. Noter vos observations.

Quels sont les ions mis en évidence lors de ce test ?

4) Conclure quand à la présence d’ions dans le filtrat. Donner une explication.

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IV. Fonctionnement d’une pile

1. La pile Daniell ne débite pas de courant

 Réaliser le circuit ci-dessous caractéristique de la pile Daniell (1836).

1.1. Noter la valeur de la tension affichée par le voltmètre.

1.2. D’après la valeur affichée par le voltmètre, quel est la borne positive de cette pile ? En déduire la demi- équation d’oxydoréduction qui se produit à la borne positive de la pile.

1.3. Faire de même pour la borne négative de la pile.

2. La pile Daniell débite un courant

 Modifier le circuit précédent pour réaliser celui ci-dessous.

2.1. Ajouter sur le schéma les pôles + et - de la pile, la nature des électrodes (cuivre ou zinc), le sens du courant I, le sens de déplacement des électrons, le sens de déplacement des ions K⁺ et NO3- dans le pont salin et les bornes (A et COM) de l’ampèremètre pour mesurer une intensité positive.

2.2. Ecrire la réaction d’oxydoréduction globale de la pile à partir des demi-équations précédentes.

2.3. Indiquer quelle électrode verra sa masse augmenter et quelle électrode verra sa masse diminuer. Justifier votre réponse.

2.4. Que se passe-t-il si l’on supprime le pont salin ? 3. Conclusions

 Une pile est constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin.

 Une demi-pile est constituée d’une lame conductrice appelée électrode plongeant dans une solution aqueuse.

 Le pont salin, qui assure la continuité électrique et la neutralité électrique des solutions, est réalisé avec une bande de papier filtre imbibée dune solution ionique, ou encore avec un tube de verre contenant une solution ionique gélifiée.

 Des électrons sont libérés à l’électrode associée au pôle négatif de la pile. Cette électrode est le siège d’une Oxydation. C’est l’Anode. (Voyelle-voyelle)

 Des électrons sont captés à l’électrode associée au pôle positif de la pile. Cette électrode est le siège d’une Réduction. C’est la Cathode. (Consonne - consonne)

Lame de cuivre plongeant dans une solution de sulfate de cuivre à 0,1 mol.L^-1

Lame de zinc plongeant dans une solution de sulfate de zinc à 0,1 mol.L^-1

V V COM

Pont salin

A R

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 Une pile qui débite un courant est le siège d’une réaction d’oxydoréduction associée à un transfert indirect d’électrons, dont l’équation est appelée équation globale de fonctionnement.

 Remarques :

 La tension (en V) entre les demi-piles est appelée force électromotrice de la pile (f.é.m.).

 Les réactions d’oxydoréduction ont lieu à la surface des électrodes, les électrons n’étant pas en solution !

 Représentation conventionnelle de la pile :

-

Zn(s)  Zn²⁺(aq)  Cu²⁺(aq)  Cu(s)

+

. V. La pile à combustible à hydrogène

 Si le principe de la pile à combustible est connu depuis 1839 (C. Schönbein puis William R. Grove), ce n’est que dans les années 1950 que Francis T. Bacon réalise les premiers prototypes.

 Les piles à hydrogène alimentaient en électricité les missions Apollo qui permirent aux astronautes américains de se poser sur la Lune. Elles équipent encore

actuellement les navettes spatiales.

 Convertisseur d’énergie non polluant, la pile à hydrogène serait le générateur idéal des voitures à moteur électrique mais le coût de fabrication élevé (les électrodes

contiennent du platine qui joue le rôle de catalyseur) et la difficulté de stocker le dihydrogène freinent son développement.

 Une cellule de pile à hydrogène est constituée de deux électrodes poreuses séparées par un électrolyte (acide dans le cas présent).

 D’un côté le dihydrogène est consommé.

 De l’autre le dioxygène est consommé.

 Des essais montrent qu’une voiture munie d’un moteur électrique alimenté par une pile à hydrogène

consomme 2,5 kg de dihydrogène pour parcourir 500 km.

 Données : Couples oxydant/réducteur :

H⁺(aq) / H2(g) ; O2(g) / H2O (ℓ) . M(H) = 1,00 g.mol^-1 1) Ecrire les deux demi-équations d’oxydoréduction ayant

lieu dans la pile à combustible.

2) En déduire la polarité des électrodes ainsi que le sens de déplacement des électrons et le sens du courant dans le circuit électrique

3) Ecrire l’équation bilan (équation de fonctionnement) de cette pile.

4) Calculer la quantité de matière de dihydrogène consommée pendant la durée du trajet.

5) En déduire la quantité d’électrons (en mol) qui circule dans le circuit extérieur (on pourra s’aider d’un tableau d’avancement).

VI. QCM

Électrolyte acide

H2(g) O2(g)

Vapeur d’eau Électrodes poreuses

Vapeur d’eau

Récepteur