Tony leparoux, professeur de physique-chimie, Clg Frédéric Montenard

Chapitre 6 : La pile électrochimique

Certains appareils électriques fonctionnent grâce à des piles ou des accumulateurs (piles rechargeables).

Evaluation diagnostique :

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

Electrique et thermique.

2/ D’où vient l’énergie fournie par une pile ?

Elle provient d’une transformation chimique entre deux espèces

chimiques.

3/ Pourquoi une pile s’use-t-elle ?

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

courant.

1/ Comment fabriquer une pile ?

A/ La pile de Volta : première pile de l’histoire.

De Galvani à Volta

La production d’électricité est relativement tardive dans l’histoire des Sciences (XIXe siècle) ; c’est, comme toujours, l’observation de phénomènes électriques surprenants qui a permis de remonter à la cause de la production d’électricité

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 (1796)

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.

Tony leparoux, professeur de physique-chimie, Clg Frédéric Montenard

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.

B/ A la maison.

Vous avez besoin d’un citron, d’un clou en fer, d’une pièce de 5 centimes en cuivre, de 2 pinces crocos,

de 2 fils, d’un multimètre (voltmètre).

La borne + de la pile est l’électrode de cuivre

La borne – de la pile est l’électrode de fer.

Si on inverse les bornes de la pile, l’affichage du voltmètre est de -0.8 V.

La conduction d’électricité entre les deux électrodes est assurée grâce au jus de citron conducteur.

C/ Au laboratoire

Vous avez besoin d’une plaque de cuivre, d’une plaque de zinc, de 2 pinces, de deux fils et d’une solution de

sulfate de cuivre bleue.

Pour vérifier si la pile fonctionne: prendre une DEL ou un voltmètre.

On relève une tension de + 1 ,1 V

Conclusion:

Pour fabriquer une pile, il faut: • 2 métaux différents appelées

électrodes. (en fait une électrode est l’ensemble (lame de métal + solution)

• Un liquide ionique conducteur appelé électrolyte.

Tony leparoux, professeur de physique-chimie, Clg Frédéric Montenard

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

A/ Observations sur la pile de laboratoire.

• Quelles différences y-a-t-il entre les deux photos ?

En mettant une lampe:

• La pile se met à débiter du courant: il y a donc une circulation d’électrons !! • La solution de sulfate de cuivre est nettement moins bleue. • La plaque de zinc est rongée. • La plaque de cuivre reste intacte. • Un dépôt rouge orangé se crée au fond du bécher.

• Qu’est ce qui donne la coloration bleue à la solution ? Ce sont les ions cuivre Cu

2+.

• Donc si la solution est moins bleue qu’est ce que cela signifie ? Qu’il y a moins d’ions cuivre Cu

2+.

Donc lorsque la pile fonctionne, des ions cuivre Cu2+

disparaissent.

• En quoi se transforment les ions cuivre Cu2+? Les ions cuivre Cu

2+ se transforment en atome de cuivre et se déposent au fond du bécher.

• Comment se sont-ils transformés? En gagnant deux électrons.

• D’où proviennent ces deux électrons? Ils proviennent certainement du zinc qui perdrait donc deux électrons.

• Explique l’observation au niveau du zinc? Une partie du zinc disparait: un atome de zinc perd deux électrons et se transforme en ion Zn

2+ ion qui se

retrouve dans la solution.

Si on résume :

• Des atomes de zinc disparaissent. • Des ions Zn2+ apparaissent dans la solution. • Des ions cuivre Cu2+ disparaissent et se transforment en atomes de cuivre Cu (dépôt).

Hypothèse : On peut supposer que la pile tire son énergie d’une transformation chimique

entre les ions cuivre Cu2+ et les atomes de zinc Zn.

Tony leparoux, professeur de physique-chimie, Clg Frédéric Montenard

B/ TP : Le métal zinc Zn réagit-il avec les ions cuivre Cu2+

?

Objectifs : Vérifier si une transformation chimique a lieu entre les ions cuivre et le zinc

Une transformation chimique ne produit-elle que de l’énergie

électrique ?

1/ Expériences :

1/ Mesures de températures : Ti = 20 °C Tf = 30 °C

2/ Agiter pendant quelques minutes et ajouter de la soude dans la solution. Observer.

2/ Observations et interprétations

2.1 Observations a - Comment évolue la coloration de la solution dans le tube ? La solution se décolore au fur et à mesure que le temps passe.

b - Quelle est la couleur du dépôt coloré qui se forme au fond du bécher, « à cheval sur la poudre de

zinc » ? Vous pouvez éventuellement aller voir la manip prof au bureau On observe un dépôt rouge orangé.

c - Comment évolue la température de la solution ? La température augmente.

d - Qu’observez-vous après ajout d’hydroxyde de sodium (soude) ? On observe la formation d’un précipité blanc

Tony leparoux, professeur de physique-chimie, Clg Frédéric Montenard

2.2 Interprétations e - Quel est l’ion responsable de la coloration bleue de la solution de départ ? C’est l’ion cuivre Cu

2+.

f - Pourquoi la solution se décolore-t-elle ? La solution se décolore car les ions cuivre Cu

2+ disparaissent.

g – De quoi est composé le dépôt observé sur la poudre de zinc ? C’est du cuivre.

h - Que pouvez-vous déduire de l’apparition du précipité blanc après ajout de soude ? Des ions zinc Zn

2+ sont apparus.

i - D’où proviennent les ions mis en évidence par l’hydroxyde de sodium ? Ils ne peuvent venir que des atomes de zinc qui ont perdu 2 électrons.

j – Votre hypothèse était-elle correcte ? Justifier soigneusement Oui il y a eu transformation chimique entre les ions cuivre Cu

2+ qui se transforment en atomes de cuivre Cu et

les atomes de zinc Zn qui se transforment en ions zinc Zn2+

.

k - Quelle forme d’énergie est aussi libérée lors de cette transformation chimique ? La transformation chimique libère aussi de l’énergie thermique (piles qui chauffent !).

C/ Les vraies piles + explication microscopique

En fait, il n’y a jamais de contact direct entre les réactifs dans une pile: Elle s’userait même s’il n’y avait pas

d’appareils branchés.

On fabrique des compartiments.

Chaque compartiment est relié par des solutions salines et des fils électriques afin de former un circuit fermé.

2 compartiments:

• 1 compartiment « zinc » avec une solution de sulfate de zinc et une électrode de zinc (pole -)

• 1 compartiment cuivre avec une solution de sulfate de cuivre et une électrode de cuivre (pole +)

Tony leparoux, professeur de physique-chimie, Clg Frédéric Montenard

Au niveau du pole –

(compartiment « zinc »):

• L’électrode se désagrège. • Des atomes de zinc se transforment en ions Zn2+

et libèrent deux électrons qui partent dans le

circuit.

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

• L’électrode grossit. • Des ions cuivre Cu2+ de la solution se

transforment en atomes de cuivre Cu en gagnant

les deux électrons du zinc.

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’électroneutralité.

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

Tony leparoux, professeur de physique-chimie, Clg Frédéric Montenard

D/ Conclusion

3/ Bilan : La pile, un convertisseur d’énergie.

On ne peut pas stocker l’énergie électrique: Une pile est un réservoir d’énergie chimique.

Elle convertit cette énergie chimique en énergie électrique et en énergie thermique. De nouveaux produits

sont aussi formés et ont une énergie chimique.

On dit que la pile est un convertisseur d’énergie. La conversion de l’énergie chimique en énergie électrique n’a lieu qu’à la demande, c’est-à-dire quand la

pile est reliée à un circuit électrique fermé.

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

• Lors du fonctionnement de la pile, les atomes de zinc réagissent avec les ions

cuivre.

• La pile tire donc son énergie électrique de la transformation chimique qui a lieu à

l’intérieur.

• Ici l’équation-bilan de la transformation est :

Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu

• La consommation des réactifs au fur et à mesure que la pile fonctionne, entraîne

l’usure de la pile.

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

• Remarque : La transformation chimique produit aussi de l’énergie thermique ou chaleur.