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.
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 :
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
Préparer deux béchers de 100 mL remplis à moitié, l’un de solution de sulfate de cuivre, l’autre de sulfate de zinc.
Introduire dans chaque bécher la lame métallique correspondant à la solution.
Relier les deux béchers par un pont salin.
Afin d’équilibrer les charges.
Brancher un voltmètre sur les deux lames métalliques.
Pour mesurer la tension aux bornes de la pile.
Relever la tension électrique U entre les deux lames.
U = 1,1 V
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.
Équation-bilan
Cu2+ + 2e− → Cu
Zn → Zn2+ + 2e−
Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+
Citer les deux métaux en donnant leur symbole et leur nom.
Donner la nature de la réaction qui a lieu.
Cette expérience permet-elle à Antoine de comprendre d’où provient le courant électrique produit par une pile ? Justifier.
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
Dire quelles précautions il faut prendre pour manipuler de l’acide.
Porter des gants, des lunettes et une blouse.
Verser dans un bécher une solution d’acide chlorhydrique à 0,3 mol/L.
Introduire deux lames de plomb dans la solution acide.
Relier chaque lame de plomb à une borne du multimètre (fonction voltmètre). Attention : les deux lames ne doivent pas se toucher.
Noter la valeur de la tension U.
U = 1,2 mV
Remplacer le multimètre par un générateur réglé en 12 V continu. Mettre sous tension pendant 5 minutes.
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.
Relever sur la batterie sa capacité en Ah et sa tension en V.
Avec la formule E = Q × U, calculer l’énergie stockée E par la batterie.
Compléter les phrases par « chimique » ou « électrique ».
Après la charge, les deux lames ont-elles le même aspect ?
Peut-on créer une tension électrique non nulle à partir de deux lames de plomb identiques ? Justifier.
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.
Mesurer la tension aux bornes de ces deux plaques.
Laquelle de ces plaques correspond à la borne (+) et laquelle à la borne (−) ?
Comment pourrait-on augmenter la tension ?
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.
Pour réaliser une pile, il faut :
- deux métaux identiques
- ✓deux métaux différents
- ✓une solution ionique
Un accumulateur se recharge à l’aide d’un courant électrique :
- ✓continu
- alternatif
- sinusoïdal
La capacité Q d’un accumulateur se mesure en :
- A
- ✓Ah
- Wh
La capacité Q, l’intensité I et le temps t sont reliés par la formule :
- ✓Q = I × t
- Q = I + t
- I = Q × t
Pour réaliser un accumulateur, il faut :
- ✓deux électrodes
- une solution non conductrice
- ✓une solution ionique
Lors de la charge d’un accumulateur, l’énergie électrique est transformée en énergie :
- mécanique
- ✓chimique
- électrique
Lors de la décharge, un accumulateur se comporte comme :
- un électrolyseur
- ✓une pile
- ✓un générateur d’énergie électrique
Une batterie de capacité 50 Ah peut délivrer 25 A pendant :
- 30 min
- 1 h
- ✓2 h
La tension aux bornes d’une pile se mesure avec :
- un tensiomètre
- ✓un voltmètre
- un ampèremètre
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.
Le multimètre est en mode voltmètre sur le calibre 2 V. Indiquer la valeur de la tension.
Peut-on dire qu’Amine a réalisé une pile au citron ? Justifier.
Une pile zinc/argent
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 ?
Pour l’ensemble des trois accumulateurs, donner la tension disponible et la capacité.
Calculer l’énergie stockée E.