Energie chimique - Pile électrochimique - Cours - Physique - Chimie : 11ème Harmos

Energie chimique – Pile électrochimique : 11eme Harmos – Cours – Physique – Chimie – : 11eme Harmos

Comment une pile peut-elle être une source d’énergie ?
La constitution des piles électrochimiques.

I. Une réaction chimique produit de l’énergie :

Expérience : On introduit une solution de sulfate de cuivre dans un tube à essai et on relève la température.

Puis, on introduit dans ce tube de la poudre de zinc et on agite. On relève à nouveau la température.

Observations :

ü La couleur bleue disparaît.

ü Un dépôt rougeâtre se forme sur la poudre de zinc.

ü La température de la solution augmente.

Interprétation :

ü Des ions Cuivre II Cu²⁺ ont été consommés.

ü Du métal Cuivre Cu s’est formé.

ü Des ions Zinc II Zn²⁺ se sont formés car si on ajoute de la soude à la solution finale, il se forme un précipité blanc.

ü La température augmente lors de la réaction, donc de l’énergie thermique est libérée.

Conclusions:

ü Le sulfate de cuivre réagit avec le zinc : l’ensemble des réactifs possèdent de l’énergie chimique.

ü Lors de la transformation chimique, une partie de cette énergie est transférée à l’extérieur sous forme d’énergie thermique.

II. Fabrication et étude de la pile Cuivre/Zinc.

Nous savons que l’énergie chimique peut donner de l’énergie thermique, mais maintenant nous aimerions transformer cette énergie en énergie électrique. Comment allons-nous faire ?

Expérience :

On plonge deux lames métalliques (électrodes), l’une en cuivre et l’autre en zinc, dans un bécher contenant une solution de sulfate de cuivre. On relie les deux électrodes à un voltmètre. On mesure ensuite l’intensité du courant débité par la pile après avoir inséré une résistance dans le circuit.

Observation :

ü Le voltmètre indique une tension d’environ 1V lorsque sa borne V est reliée à l’électrode de cuivre.

ü L’ampèremètre indique une intensité d’environ 50 mA.

ü L’électrode de zinc est rongée et du métal cuivre se dépose sur l’électrode de cuivre.

ü La solution se décolore

Interprétation :

ü L’électrode de cuivre constitue l’électrode positive de la pile et l’électrode de zinc constitue la borne négative.

ü La pile s’use :

Du métal Zinc disparaît et des ions Zn²⁺ apparaissent.
Des ions Cu²⁺ disparaissent et du métal cuivre se dépose sur l’électrode de cuivre.

Conclusion :

ü Une pile électrochimique est constituée de deux électrodes de natures différentes, généralement métalliques, plongeant dans une solution conductrice.

ü Lorsque la pile fonctionne, il se produit une transformation chimique

ü Une partie de l’énergie chimique des réactifs est convertie en énergie électrique et une autre partie est transférée à l’extérieur sous forme d’énergie thermique.

ü La consommation des réactifs entraîne « l’usure »de la pile.

III. Les piles :

1. Histoire de la pile :

La première pile porte le nom de son inventeur Alessandro Volta. Mais avant cela, il y a eu bien des controverses. Vers la fin du XVIII^eme siècle, Volta s’opposa aux travaux d’un autre scientifique italien : Galvani. Ce dernier avait constaté que lorsqu’il touchait avec son scalpel en acier une grenouille accrochée par un crochet en cuivre, ces muscles se contractaient comme s’ils étaient soumis à une décharge électrique. Galvani en avait donc conclu que l’électricité était d’origine animale. Volta au contraire prétendit que la grenouille n’était pas à l’origine de l’électricité. Il réussit le premier à créer une pile en empilant des disques de cuivre et des cartons imbibés d’eau salée et de zinc : la pile volta (en fait une pile saline). Il en empila soixante et reçu une décharge électrique. Son expérience eût beaucoup de succès.

2. Les piles du commerce :

Les piles du commerce sont de trois types :

La pile saline (ou pile Leclanché) :

C’est la plus ancienne et la moins chère mais sa durée de vie est courte. Elle délivre une tension de 1,5 V.

On l’utilise pour des utilisations peu exigeantes : réveil, jouets.

La pile alcaline :

De constitution très proche de la pile saline (la grande différence se situe au niveau de l’électrolyte qui dans ce cas est de la potasse – composé alcalin – au lieu du chlorure d’ammonium de la pile saline), elle délivre une tension de 1,5V mais peut fournir des courants plus importants pendant plus longtemps. Elle est plus chère. Elle convient à des usages plus exigeants : appareils photo, mp3.

La pile au lithium :

Elle est encore plus chère, mais délivre beaucoup plus d’énergie que les précédentes. Sa tension peut varier de 1,2V à 3,5V. Elle permet un usage de longue durée.

On l’utilise dans les calculatrices, montre, stimulateurs cardiaques.