Chapitre 7 - Notion d’énergie chimique : Les piles
On a étudié ensembles plusieurs exemples de transformations chimiques : Combustions, acide chlorhydrique et fer, précipités créés par les tests des ions. Certaines transformations chimiques peuvent avoir des effets inattendus. Je vais vous proposer une transformation chimique dont on va étudier la température.
I. Effets thermiques de la réaction entre le zinc et les ions cuivre (II)
1) Expérience :2) Observations
La température de la solution augmente.
La coloration de la solution de sulfate de cuivre disparaît. (Donc les ions cuivre (II) disparaissent.) Il y a de plus formation de cuivre solide Cu et d’ions zinc (II) Zn2+.
3) Interprétations
a) Il y a transformation chimique : Le zinc a réagi avec les ions cuivre (II) pour former du cuivre (dépôt rougeâtre), et des ions zinc (II) Zn2+.
Réactifs : Zinc Zn, ions cuivre (II) Cu2+ dans une solution de sulfate de cuivre (II) Produits : Cuivre Cu, ions zinc (II) Zn2+ dans une solution de sulfate de zinc (II) Le bilan de cette transformation chimique est :
zinc + solution de sulfate de cuivre (II) → cuivre + solution de sulfate de zinc (II)
Vous verrez plus tard que ça s’écrit : Zn(s) + Cu2+(aq) → Cu(s) + Zn2+(aq)
Que s’est-il passé?
Il y a eu transfert d’électrons.
Au cours de cette transformation chimique, il y a eu échange d’électrons. L’atome de zinc est devenu un ion zinc, l’ion cuivre (II) un atome de cuivre.
b) La transformations chimique a libéré de l’énergie sous forme de chaleur.
→
→
poudre de zinc Taprès = 48,2°C
solution obtenue Thermomètre
Tavant = 21°C
solution de sulfate de cuivre (II)
4) Notion d’énergie chimique
D’où vient cette énergie? De ce qu’on a mélangé, id est atomes et ions. Qu’est-ce qui l’a libérée ? La transformation.
Comment appelle-t-on cette énergie : Energie thermique = chaleur. Energie électrique = courant et tension. Energie dans les solutions et les atomes = Energie chimique!!
Les atomes de zinc et les ions de la solution de sulfate de cuivre (II) possèdent une énergie appelée énergie chimique.
Ils la « stockent » jusqu’à ce qu’une transformation chimique en libère une partie. (Les produits en gardent un peu.) Ici, l’énergie est libérée sous forme de chaleur. Sous quelle autre forme pourrait-elle être libérée? ... Electrique? Est-ce possible? Pourrait-on la récupérer?
Il y a eu TRANSFERT d’ELECTRONS, peut-on obliger ce transfert à créer un courant électrique (dû aux électrons dans les métaux et aux ions dans les solutions).
Pour cela, il faudrait éloigner les réactifs.
II. Constitution et fonctionnement d’une pile électrochimique
1) Réalisation d’une pile Daniell2) Fonctionnement de la pile Daniell
Interprétation : La transformation chimique étudiée en I se produit toujours :
zinc + solution de sulfate de cuivre (II) → cuivre + solution de sulfate de zinc (II)
Elle permet le passage d’un courant électrique dans la résistance (grâce au transfert d’électrons mis en jeu entre le zinc et les ions cuivre (II)).
Les lames de métal sont appelées électrodes.
Les solutions utilisées pour conduire le courant sont appelées électrolytes.
(Les électrolytes contiennent donc des ions.) Observations :
On mesure I = 0,1 mA
Il y a décoloration de la solution de sulfate de cuivre (disparition des ions cuivre (II)) et dépôt de cuivre sur la lame de cuivre.
Il y a disparition progressive de la lame de zinc.
A
COM A
papier filtre imbibé d’eau salée (ions Na+ et Cl-) pour conduire le couant
Lame de zinc Lame de
cuivre
Solution de sulfate de zinc (II) Solution de sulfate
de cuivre (II)
Légende :
Cu : Atome de cuivre (solide) Zn : Atome de Zinc (solide) Cu2+ : ion cuivre (II)
Zn2+ : ion zinc SO42- : ion sulfate Na+ : ion sodium Cl- : ion chlorure
+ -
A COM
A I
électrons libres
électrons libres électrons
libres
cuivre zinc
Na+
Cl- Cu2+
SO42-
Zn2+
SO42-
Cu u
Cu2+
2 électrons
Zn2+ Zn 2 électrons
3) Bilan énergétique
La pile est un réservoir d’énergie chimique. (Ici, cette énergie est stockée dans les atomes de zinc et les ions de la solution de sulfate de cuivre (II).)
Lorsqu’elle fonctionne, une partie de cette énergie est transférée au circuit sous forme d’énergie électrique (ce qu’on voulait), une autre partie est libérée (perdue) sous forme d’énergie thermique (chaleur).
On ne peut jamais tout transférer, il y a toujours des pertes de chaleur.
4) Usure de la pile
Quand a lieu le transfert d’énergie?
Le transfert d’énergie provient de la transformation chimique qui a lieu dans la pile.
Qu’est-ce qui se passe au cours d’une transformation chimique?
Lorsqu’on utilise la pile, les réactifs disparaissent progressivement (sont « consommés ») : cela entraîne l’usure de la pile. Si l’un des réactifs disparaît complètement, la pile ne peut plus fonctionner.
Toute l’énergie chimique stockée qu’on pouvait utiliser a alors été transférée.
Pour « recharger » la pile, il faudrait être capable de retransformer le cuivre en ions Cu2+, et les ions Zn2+ en zinc solide. C’est possible, avec ce que l’on appelle un accumulateur (d’énergie) ou « pile rechargeable ».
Comment fait-on? On oblige un courant électrique à passer dans l’AUTRE SENS!
