3 C 04 Les Piles Electrochimiques

3e

LES PILES ÉLECTROCHIMIQUES

Objectifs :

   

C4

Expliquer le fonctionnement d’une pile électrochimique Différencier les piles du commerce Distinguer transfert et conversion d’énergie Bilan de réaction

1. De Galvani à Volta 1.1.Expérience historique

Une cuisse de grenouille se contracte vivement au contact de deux métaux : Galvani croit avoir découvert " l'électricité animale ". Volta pense au contraire que c'est le couple de métaux qui crée l'électricité. Il s’aperçut qu’en plaçant deux métaux différents ( Cu et Zn) au contact d’une solution (de l’eau salée), il se produisait de l’électricité. Il a raison, et c'est en cherchant à le prouver qu'il invente la " pile ", qui va révolutionner l'électricité ! 1.2.Expérience

On réalise le montage suivant :

Matériel : citron, lame de cuivre et de zinc, fils électriques, multimètre, pinces crocodiles  Commenter l’indication donnée par les deux voltmètres : Une tension apparaît quand il y a deux lames différentes 1.3.Conclusion

Pour fabriquer une pile, il faut un liquide ionique et deux métaux différents au contact de ce liquide.

2.Une réaction chimique mettant en jeu des ions Une lame d zinc est placée dans une solution de sulfate de cuivre

Matériel : lame de zinc, solution de sulfate de cuivre  Décrire les modifications observées : La solution bleue de sulfate de cuivre se décolore ; la lame de zinc se recouvre de marron.  Parmi les espèces chimiques suivantes : Zn2+ ; Zn ; Cu ; Cu2+ ; SO42-, nommer celles présentes à l’état initial ( début de la réaction) puis à l’état final ( fin de la réaction). Indiquer si elles ont dans le solide ou dans la solution ( fig 2) Etat initial : Cu2+ (dans la solution), Zn (dans le solide)// Etat final : Zn2+ ( dans la solution) et Cu (dans le solide) P.PECORELLA

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 Comment peut-on prouver, au niveau microscopique, qu’il y a transformation chimique ? Les espèces chimiques présentes au début et à la fin de la transformation ne sont pas les mêmes

3.La pile, convertisseur d’énergie

3.1.L’énergie chimique au niveau microscopique

Lorsqu’on mélange de la poudre de zinc à une solution aqueuse de sulfate de cuivre (II), il se produit une transformation chimique qui dégage de la chaleur. Le zinc métal se transforme en ion zinc (II), les ions cuivre (II) en solution se transforme en cuivre solide.

Comment prouver que cette transformation chimique dégage de la chaleur ? Matériel : poudre de zinc,, solution de sulfate de cuivre (II), tube à essai, thermomètre, pipette pasteur.

Thermomètre

 Quel protocole expérimental vous proposez pour répondre à cette question ? On rempli à moitié un tube à essai avec la solution de sulfate de cuivre. On mesure la température avec le thermomètre. On ajoute une pincée de poudre de zinc et on relève la température.  Réaliser l’expérience et faire un dessin légendé. Tube à essai

 Que se passe-t-il au niveau atomique lors d’une transformation chimique ? Lors de la transformation chimique, il y a réarrangement des atomes et des liaisons. Solution de sulfate de cuivre (II)

 Où se cache donc l’énergie chimique au niveau microscopique ? Poudre de zinc

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Au niveau microscopique, l’énergie chimique est « cachée » dans des liaisons chimiques et lors d’une transformation chimique le réarrangement des atomes et des liaisons explique cette « libération » d’énergie sous forme de chaleur.  Quelle est la manifestation macroscopique de l’énergie dans cet exemple L’élévation de température lorsqu’on mélange les deux réactifs est la manifestation macroscopique de l’énergie libérée lors de cette transformation.  Que veut dire alors exothermique ? C’est dans ce cas ici une transformation qui dégage de la chaleur.

3.2.La pile, de l’énergie chimique à l’électricité ( activité B page 199)

 Trouver les points communs et les différences entre les deux piles exposées dans les deux documents. La pile Volta est constituée d’un empilement successif de disques de zinc et d’argent entre lesquels sont interposés des papiers cartonnés imbibés d’une solution de chlorure de sodium ( solution salée). La pile Daniell est constituée : - des deux compartiments ( becher) comprenant un métal ( cuivre ou zinc) et la solution ionique contenant l’ion métallique qui lui correspond ( solution de sulfate de cuivre ou solution de sulfate de zinc), soit deux « demi-piles ». -d’un pont salin permettant de relier les deux compartiments ( il contient un gel ionique ou une bande de papier imbibée d’une solution salée), de fermer le circuit, de maintenir l’électroneutralité des solutions et de permettre le passage des ions positifs et négatifs lorsqu’elle débite. -d’un récepteur ( lampe) ou d’un voltmètre.

QuickTimeª et un dŽcompresseur sont requis pour visionner cette image.

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On va réaliser la pile daniell. On remplacera la lampe par un voltmètre.

Liste du matériel : plaque de zinc, plaque de cuivre, 2 bechers, solution de sulfate de zinc, solution de sulfate de cuivre, pont salin ( papier filtre imbibé de solution de chlorure de potassium)  Regarder attentivement l’expérience menée par la professeur

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 Compléter le texte en utilisant les mots : énergie, ions, réaction chimique, électrons Ce transfert d’électrons (fig 2), qui a lieu au niveau de chaque électrode entre les atomes de la lame et les ions correspondants présents dans la solution, prouve qu’il y a réaction chimique. Cette réaction libère de l’énergie Les particules qui se déplacent pour assurer le transport de l’électricité sont : les électrons., dans les métaux à l’extérieur de la pile ; les ions dans la solution, à l’intérieur de la pile.  Donner la définition d’une pile ( rôle, composition, transformation de l’énergie mis en jeu) La pile est un générateur électrochimique qui transforme de l’énergie chimique fournie par une réaction chimique spontanée en énergie électrique. Elle est composée des deux réactifs séparés. Les électrons sont transférés d’un réactif ( oxydant : le méta zinc ) à un autre ( le réducteur : l’ion cuivre II). Cette réaction stocke de l’énergie chimique qui est restituée par l’intermédiaire d’un circuit électrique sous forme de courant électrique.  Pourquoi une pile s’use-t-elle ? Au cours de la réaction chimique, les réactifs s’épuisent, il y a moins d’énergie chimique à convertir : la pile s’use. 3.3.Conclusion

La pile transforme l’énergie d’une réaction chimique ( appelée énergie chimique) en énergie électrique : on dit qu’elle est un convertisseur d’énergie. La pile gère le transfert d’énergie électrique vers les dipôles d’un circuit : elle produit l’énergie électrique à la demande, en fonction du nombre d’appareil ; plus il y a de récepteurs, plus elle fournit d’énergie électrique dans le circuit et plus elle s’use vite. P.PECORELLA

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4.Piles et technologie 4.1.Autopsie d’une pile leclanché( Activité 2 A page 200)

 Compléter le schéma à l’aide des mots suivants : borne +, borne -, électrode de zinc, électrode de carbone, électrolytes gélifiés

4.2.La pile à hydrogène ( activité 2 B page 201)

1. Equation chimique : 2H2 + O2 = 2H2O 2. Développement durable : le produit est de l’eau, ce qui est écologiquement bon. 3. Tant qu’il y a du dihydrogène et du dioxygène, la pile ne s’use pas, d’où le titre.

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L’ESSENTIEL POUR LE CONTRÔLE :  Dans une pile, l’énergie provient d’une transformation chimique. (Co)  La consommation des réactifs entraîne l’usure de la pile (Co)  Les transformations chimiques peuvent dégager de l’énergie sous forme de chaleur ou d’électricité. (Co)

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LES PILES ELECTROCHIMIQUES

L’ESSENTIEL POUR LE CONTRÔLE :  Dans une pile, l’énergie provient d’une transformation chimique. (Co)  La consommation des réactifs entraîne l’usure de la pile (Co) Les transformations chimiques peuvent dégager de l’énergie sous forme de chaleur ou d’électricité. (Co) ________________________________________

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L’ESSENTIEL POUR LE CONTRÔLE :  Dans une pile, l’énergie provient d’une transformation chimique. (Co)  La consommation des réactifs entraîne l’usure de la pile (Co) Les transformations chimiques peuvent dégager de l’énergie sous forme de chaleur ou d’électricité. (Co)

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L’ESSENTIEL POUR LE CONTRÔLE :  Dans une pile, l’énergie provient d’une transformation chimique. (Co)  La consommation des réactifs entraîne l’usure de la pile (Co) Les transformations chimiques peuvent dégager de l’énergie sous forme de chaleur ou d’électricité. (Co)

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L’ESSENTIEL POUR LE CONTRÔLE :  Dans une pile, l’énergie provient d’une transformation chimique. (Co)  La consommation des réactifs entraîne l’usure de la pile (Co) Les transformations chimiques peuvent dégager de l’énergie sous forme de chaleur ou d’électricité. (Co)

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