CHP 7 La Pile Electrochimique [PDF]

Zitiervorschau

Chapitre 7 : La pile électrochimique

LA PILE ELECTROCHIMIQUE Introduction : Dans le cours précédent, nous avons vu l’exemple d’une réaction entre un métal et un ion. Mais il existe bien d’autres réactions qui trouvent une utilité bien concrète à l’instar des lampes de poches, des petits appareils électriques type rasoir, des téléphones portables … En effet, tous ses appareils de la vie courante fonctionnent à l’aide de piles électrochimiques c’est-à-dire grâce à des réactions chimiques. C’est ce que nous étudier dans ce cours d’un point de vue énergétique, afin de montrer, comme nous l’avons fait en électricité, toute l’importance de l’énergie, ici chimique, dans le fonctionnement de nos sociétés tant d’un point de vue du transfert que des conversions. Pile alcaline neuve Pile alcaline usée sans enveloppe

I. Constitution d’une pile. 1. Les premières piles.

La première pile électrochimique a été inventée par Volta en 1800. Elle était constituée d’une série de rondelle de cuivre et de zinc mises en contact par de l’eau salée. En 1868, Leclanché met au point une pile constituée d’une tige en graphite entourée d’une enveloppe en zinc qui sont mises en contact par une solution ionique gélifiée. La pile actuelle est ainsi faite, d’où le nom de pile Leclanché.

2. Notion d’électrodes. Une pile électrochimique est constituée par deux matériaux conducteurs de natures différentes appelés électrodes (cuivre & zinc / graphite & zinc) plongés dans une solution conductrice appelée électrolyte (eau salée).

Dans la suite du cours, nous allons reprendre l’idée de Volta avec une électrode en cuivre et une électrode en zinc en remplaçant l’eau salée par une solution d’ions cuivre.

Maintenant que nous savons ce qu’est une pile, nous allons étudier son fonctionnement. II. Fonctionnement d’une pile. 1. Expérience.

Exp : lame de zinc + CuSO4 0,01 M + bécher + soude 0,1 M lame de zinc

On place une lame de zinc dans une solution contenant des ions cuivre. Observation :

La lame de zinc se recouvre d’un dépôt rougeâtre. La solution, initialement bleue, se décolore.

solution contenant d’ions cuivre

L’ajout de soude provoque un précipité blanc. Interprétation :

La décoloration de la solution est due à la disparition des ions cuivre Cu2+. Le dépôt rougeâtre observé est du métal cuivre Cu. Le test réalisé avec la soude révèle la présence d’ions zinc Zn2+ dans la solution. Du métal zinc a disparu.

2. La réaction chimique. Il y a disparition et apparition d’espèces chimiques. Il s’agit donc d’une transformation chimique : -

les ions cuivre se transforment en métal cuivre, le métal zinc donne des ions zinc.

On peut alors modéliser la transformation par une réaction chimique : métal zinc + ions cuivre → ions zinc + métal cuivre réactifs

produits

On en déduit alors l’équation-bilan : Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu NB : La loi de conservation des éléments et des charges électriques est bien respectée.

3. Conclusion. Lors du fonctionnement de la pile, il y a une transformation chimique : Le métal zinc Zn se transforme en ions zinc Zn2+. Il perd donc des électrons. Ces électrons sont gagnés par les ions cuivre Cu2+ pour donner du métal cuivre Cu. La réaction correspond donc à un échange d’électrons.

Maintenant que nous connaissons le principe de fonctionnement d’une pile, intéressons nous à l’aspect énergétique directement utilisé dans la vie de tous les jours.

Exp : Bécher + voltmètre + lame de cuivre et lame de zinc + CuSO4 0,1M + moteur + thermomètre 1. Mise en évidence expérimentale.

III. Les transformations d’énergie.

Expérience : On plonge une lame métallique en cuivre et une lame métallique en zinc dans une solution contenant des ions cuivre. On mesure la température à l’aide d’un thermomètre. On relie la lame de cuivre à la borne V d’un voltmètre et la borne COM à la lame en zinc.

Observation :

* L’électrode en zinc est rongée et du métal cuivre se dépose sur l’électrode en cuivre. La solution se décolore. * La température de la solution augmente. * Le voltmètre indique une tension de …………

Interprétation :

* Il se produit la même transformation chimique que précédemment. * La transformation des réactifs en produits libère de la chaleur.

* Les électrons libérés par la lame de zinc circulent dans le circuit jusqu’à la lame de cuivre où ils sont captés par les ions cuivre. Cela crée un courant électrique dans le circuit. Rq :

Si on insère un moteur dans le circuit, il tourne.

e-

M

I

En déduire la borne + et la borne – de notre pile.

Faire analogie avec la pile du commerce pour montrer borne + et -.

Zn2+

Cu2+

2. Bilan énergétique. Les ions cuivre et le zinc réagissent ensemble : ils possèdent de l’énergie chimique. Lorsque la pile électrochimique fonctionne : - une partie de l’énergie chimique est transférée vers l’extérieur sous forme d’énergie thermique (inutile : l’énergie est « perdue »), Elle peut être utile : combustion charbon, combustion méthane pour gazinière … - une autre partie de l’énergie chimique est transférée au circuit sous forme d’énergie électrique.

énergie électrique énergie chimique

PILE ELECTROCHIMIQUE énergie thermique

NB : Petit à petit, le métal zinc disparaît et les ions cuivre aussi. On dit que la pile s’use. La consommation des réactifs entraîne l’usure de la pile. Rq : * Une pile « rechargeable » est un abus de langage car lors de la réaction les réactifs sont consommés et disparaissent, on ne peut donc recharger la pile. On parle plutôt d’accumulateur dans lesquels la réaction chimique peut se faire dans les deux sens. * Les piles contiennent des substances toxiques pour l’environnement (cadmium, plomb, nickel). Il faut donc les collecter spécifiquement pour les recycler.

CONCLUSION : Toute notre étude sur le thème de la chimie nous a permis d’arriver à la compréhension des transferts et conversions d’énergie que l’on rencontre dans les objets de tous les jours. En effet, c’est en exploitant les propriétés mêmes de la matière, que l’Homme parvient à fabriquer des convertisseurs de l’énergie chimique qui n’est pas consommée mais convertie. Mais l’énergie chimique n’est pas la seule à être transformée …

* Les espèces chimiques présentes dans une pile contiennent de l’énergie chimique dont une partie est transférée sous d’autres formes d’énergie lorsqu’elle fonctionne. * L’énergie mise en jeu dans une pile provient d’une réaction chimique : la consommation de réactifs entraîne l’usure de la pile. * Réaliser, décrire et schématiser la réaction entre une solution aqueuse de sulfate de cuivre et de la poudre de zinc ; interpréter l’échauffement du milieu réactionnel comme le résultat de la conversion d’une partie de l’énergie chimique des réactifs en énergie thermique.

La première pile électrochimique a été inventée par Volta en 1800. Elle était constituée d’une série de rondelle de cuivre et de zinc mises en contact par de l’eau salée. En 1868, Leclanché met au point une pile constituée d’une tige en graphite entourée d’une enveloppe en zinc qui sont mises en contact par une solution ionique gélifiée. La pile actuelle est ainsi faite, d’où le nom de pile Leclanché.

La première pile électrochimique a été inventée par Volta en 1800. Elle était constituée d’une série de rondelle de cuivre et de zinc mises en contact par de l’eau salée. En 1868, Leclanché met au point une pile constituée d’une tige en graphite entourée d’une enveloppe en zinc qui sont mises en contact par une solution ionique gélifiée. La pile actuelle est ainsi faite, d’où le nom de pile Leclanché.

La première pile électrochimique a été inventée par Volta en 1800. Elle était constituée d’une série de rondelle de cuivre et de zinc mises en contact par de l’eau salée. En 1868, Leclanché met au point une pile constituée d’une tige en graphite entourée d’une enveloppe en zinc qui sont mises en contact par une solution ionique gélifiée. La pile actuelle est ainsi faite, d’où le nom de pile Leclanché.

La première pile électrochimique a été inventée par Volta en 1800. Elle était constituée d’une série de rondelle de cuivre et de zinc mises en contact par de l’eau salée. En 1868, Leclanché met au point une pile constituée d’une tige en graphite entourée d’une enveloppe en zinc qui sont mises en contact par une solution ionique gélifiée. La pile actuelle est ainsi faite, d’où le nom de pile Leclanché.

La première pile électrochimique a été inventée par Volta en 1800. Elle était constituée d’une série de rondelle de cuivre et de zinc mises en contact par de l’eau salée. En 1868, Leclanché met au point une pile constituée d’une tige en graphite entourée d’une enveloppe en zinc qui sont mises en contact par une solution ionique gélifiée. La pile actuelle est ainsi faite, d’où le nom de pile Leclanché.