Physique-chimie, Terminale pro

Piles et accumulateurs

Stocker l’énergie électrique avec un système électrochimique.

Réaliser une pile. Étudier un accumulateur. Utiliser un multimètre.

pont salin+−CuZnCu2+Zn2+
Pile Daniell : les électrons partent du zinc, borne −, et arrivent au cuivre, borne +.

Le cours

Réaction d’oxydoréduction

Lors d’une réaction d’oxydoréduction, il se produit un échange d’électrons.

Spontané

dans le cas d’une pile.

Imposé

par une source de courant continu, dans le cas d’un alternateur.

Mot imprimé sur la fiche. Dans l’activité 2, forcer la réaction avec un courant continu, c’est la charge d’un accumulateur (électrolyse).

La pile

Deux métaux différents

Une pile est composée de deux électrodes conductrices de deux métaux différents, plongées dans une solution ionique conductrice.

Un générateur électrochimique

Elle produit une tension électrique à partir de réactions chimiques.

Un courant continu

Une pile fournit du courant électrique continu.

e−pont salin+−lame +lame −ionsionssolution ionique conductricesolution ionique conductrice
Deux lames métalliques différentes. Le pont salin est une solution ionique qui permet aux ions de circuler.

L’accumulateur

Pas une « pile rechargeable »

On le dit souvent, mais ce n’est pas scientifiquement correct : une pile n’est pas rechargeable.

Deux électrodes

L’accumulateur est composé de deux électrodes conductrices plongées dans une solution.

Des cycles

Au sein d’un accumulateur, il se produit des cycles de charges et de décharges.

Charge

Électrolyseur

énergie électrique → énergie chimique

Décharge

Pile

énergie chimique → énergie électrique

Un accumulateur est caractérisé par :

QAh=IA×th
sa capacité Q à garder la charge dans le temps. Q représente aussi la quantité d’électricité stockée.
EWh=QAh×UV
son énergie stockée E.

Noté en marge : U × I = puissance (U : tension, I : intensité).

Activité 1

La pile Daniell

Antoine utilise très souvent des piles et se demande comment elles produisent un courant électrique continu. Il veut en ouvrir une ; une amie le lui déconseille, car une pile contient des produits chimiques. Elle lui explique le principe de la pile Daniell, pile zinc/cuivre datant de 1836.

L’expérience permet-elle d’expliquer la provenance du courant électrique ?

Réaliser la pile

  1. Préparer deux béchers de 100 mL remplis à moitié, l’un de solution de sulfate de cuivre, l’autre de sulfate de zinc.

  2. Introduire dans chaque bécher la lame métallique correspondant à la solution.

  3. Relier les deux béchers par un pont salin.

    Afin d’équilibrer les charges.

  4. Brancher un voltmètre sur les deux lames métalliques.

    Pour mesurer la tension aux bornes de la pile.

  5. Relever la tension électrique U entre les deux lames.

    U = 1,1 V

  6. Observer l’état des lames en les essuyant.

    La lame de cuivre noircit : du cuivre se dépose dessus. La lame de zinc se ronge.

Le pont salin peut être un papier filtre imbibé de chlorure de sodium NaCl.

1,1V

tension mesurée entre les deux lames

Doc. 1 : réactions d’oxydoréduction

Les deux couples oxydant-réducteur qui interviennent sont Zn2+/Zn et Cu2+/Cu.

Les électrons qui arrivent à l’électrode de cuivre sont captés par des ions Cu2+ de la solution. Il se forme du cuivre métallique qui se dépose sur l’électrode de cuivre.

Les électrons sont cédés par le zinc. La lame de zinc se ronge car des atomes de zinc sont transformés en ions qui passent dans la solution.

e−pont salinSO42− →+−CuZnCu2+Zn2+sulfate de cuivresulfate de zinc
Les électrons partent du zinc (borne −) et arrivent au cuivre (borne +).

Équation-bilan

Cu2+ + 2e− → Cu

Zn → Zn2+ + 2e−

Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+

Citer les deux métaux en donnant leur symbole et leur nom.

Le zinc, de symbole Zn, et le cuivre, de symbole Cu.

Donner la nature de la réaction qui a lieu.

C’est une réaction d’oxydoréduction.

Cette expérience permet-elle à Antoine de comprendre d’où provient le courant électrique produit par une pile ? Justifier.

Oui, car la réaction d’oxydoréduction est un échange d’électrons, qui sont à l’origine du courant. On peut ainsi produire un courant électrique à partir d’une réaction d’oxydoréduction.

Activité 2

L’accumulateur au plomb

Inventé par Planté en 1859, il équipe les batteries de voiture. Il existe d’autres types d’accumulateurs, plus récents, appelés aussi piles rechargeables.

Est-il possible de créer une tension électrique entre deux lames identiques de plomb ?

12V

tension de la batterie

64Ah

capacité Q

768Wh

énergie stockée : E = 64 × 12

La batterie se caractérise par sa capacité Q à conserver la charge dans le temps t : Q = I × t, avec Q en Ah, I en A et t en h.

Réaliser un accumulateur

  1. Dire quelles précautions il faut prendre pour manipuler de l’acide.

    Porter des gants, des lunettes et une blouse.

  2. Verser dans un bécher une solution d’acide chlorhydrique à 0,3 mol/L.

  3. Introduire deux lames de plomb dans la solution acide.

  4. Relier chaque lame de plomb à une borne du multimètre (fonction voltmètre). Attention : les deux lames ne doivent pas se toucher.

  5. Noter la valeur de la tension U.

    U = 1,2 mV

  6. Remplacer le multimètre par un générateur réglé en 12 V continu. Mettre sous tension pendant 5 minutes.

  7. Remplacer le générateur par le multimètre. Noter la valeur de la tension U.

    U = 25 mV

1,2mV

avant la charge

25mV

après 5 minutes de charge à 12 V

« Électrolyse » est le terme chimique associé à la charge, lorsqu’on force une réaction d’oxydoréduction.

VU = 1,2 mVacide HClAu départG12 V continu, 5 minacide HClCharge (électrolyse)VU = 25 mVacide HClDécharge (pile)
Un cycle de charge et de décharge. V : voltmètre, G : générateur.

Relever sur la batterie sa capacité en Ah et sa tension en V.

Q = 64 Ah et U = 12 V.

Avec la formule E = Q × U, calculer l’énergie stockée E par la batterie.

E = 64 × 12 = 768 Wh.

Compléter les phrases par « chimique » ou « électrique ».

Lors de la charge, l’énergie électrique est transformée en énergie chimique. Lors de la décharge, l’énergie chimique se transforme en énergie électrique.

Après la charge, les deux lames ont-elles le même aspect ?

Non.

Peut-on créer une tension électrique non nulle à partir de deux lames de plomb identiques ? Justifier.

Oui, à condition de faire d’abord une charge (électrolyse) avec un générateur réglé en continu.

TP

Piles citron et patate

Une lame de cuivre et une lame de zinc dans un fruit (citron, pomme…) ou une pomme de terre, assez proches (environ 2 cm) sans se toucher. On mesure la tension aux bornes de la pile ainsi constituée.

0,32V

une pile au citron

0,64V

deux piles en série

+Lame de cuivre : borne positive (cathode)

−Lame de zinc : borne négative (anode)

La tension obtenue reste faible et ne suffit pas pour alimenter une diode électroluminescente, par exemple.

+−V0,32 Vcitron+−V0,32 VcitronV0,64 V
Deux citrons en série : 0,32 V + 0,32 V = 0,64 V.

Mesurer la tension aux bornes de ces deux plaques.

La tension aux bornes des deux plaques est 0,32 V.

Laquelle de ces plaques correspond à la borne (+) et laquelle à la borne (−) ?

La plaque de cuivre est la borne +. La plaque de zinc est la borne −.

Comment pourrait-on augmenter la tension ?

En plaçant plusieurs piles au citron en série, en reliant par un fil conducteur le pôle cuivre d’une pile au pôle zinc de la suivante. La tension obtenue est la somme des tensions aux bornes de chacune des piles.

Comment pourrait-on augmenter l’intensité du courant ?

En augmentant la surface des électrodes : des plaques de zinc et de cuivre plus grandes, pour maximiser le contact avec le citron.

En réduisant la résistance du circuit : des fils courts et conducteurs, de meilleure qualité.

Exercices

Je teste mes acquis

Les bonnes réponses sont cochées.

  1. Pour réaliser une pile, il faut :

    • deux métaux identiques
    • ✓deux métaux différents
    • ✓une solution ionique
  2. Un accumulateur se recharge à l’aide d’un courant électrique :

    • ✓continu
    • alternatif
    • sinusoïdal
  3. La capacité Q d’un accumulateur se mesure en :

    • A
    • ✓Ah
    • Wh
  4. La capacité Q, l’intensité I et le temps t sont reliés par la formule :

    • ✓Q = I × t
    • Q = I + t
    • I = Q × t
  5. Pour réaliser un accumulateur, il faut :

    • ✓deux électrodes
    • une solution non conductrice
    • ✓une solution ionique
  6. Lors de la charge d’un accumulateur, l’énergie électrique est transformée en énergie :

    • mécanique
    • ✓chimique
    • électrique
  7. Lors de la décharge, un accumulateur se comporte comme :

    • un électrolyseur
    • ✓une pile
    • ✓un générateur d’énergie électrique
  8. Une batterie de capacité 50 Ah peut délivrer 25 A pendant :

    • 30 min
    • 1 h
    • ✓2 h
  9. La tension aux bornes d’une pile se mesure avec :

    • un tensiomètre
    • ✓un voltmètre
    • un ampèremètre
  10. Avec U = 5 V et Q = 1,5 Ah, l’énergie stockée E est égale à :

    • 3,5 Wh
    • 6,5 Wh
    • ✓7,5 Wh

Une pile au citron

Amine a réalisé une pile au citron. Pour la reproduire, lister le matériel nécessaire.

Un citron, un voltmètre, des câbles, deux électrodes, des pinces crocodiles.

Le multimètre est en mode voltmètre sur le calibre 2 V. Indiquer la valeur de la tension.

0,750 V

Peut-on dire qu’Amine a réalisé une pile au citron ? Justifier.

Oui, car il existe une tension aux bornes des deux lames métalliques.

Une pile zinc/argent

e−pont salin+−AgZnAg+Zn2+ions argentions zinc
Lame d’argent : borne +, dans une solution ionique d’ions argent Ag+. Lame de zinc : borne −, dans une solution ionique d’ions zinc Zn2+. Les deux sont reliées par un pont salin.

Une lampe à manivelle

Coralie a démonté sa lampe à manivelle. Sur les accumulateurs, on lit : Ni-MH, 600 mAh, 3,6 V.

Quelle action permet de recharger les accumulateurs ?

En tournant la manivelle, Coralie recharge les accumulateurs.

Pour l’ensemble des trois accumulateurs, donner la tension disponible et la capacité.

U = 3,6 V et Q = 600 mAh = 0,6 Ah.

Calculer l’énergie stockée E.

E = Q × U = 0,6 × 3,6 = 2,16 Wh.