Les métaux et la conduction électrique

Les métaux et la conduction électrique
Quels métaux y a-t-il dans les objets de la vie quotidienne ?
Le fer, le cuivre, le zinc et l’aluminium sont les métaux les plus couramment utilisés.
Parmi les métaux précieux, les plus utilisés sont l’argent et l’or.
On peut identifier les métaux par des tests simples :
1. Attiré par un aimant
2. Couleur (non oxydé)
3. Couleur de l’oxyde
4. Masse pour 1
Tous les solides conduisent-ils le courant électrique ?
Ce montage permet de comparer le caractère conducteur de différents solides.
Certains solides ne conduisent pas le courant électrique.
Tous les métaux conduisent le courant électrique.
Comment le courant électrique circule-t-il dans les métaux
?
Tous les métaux (quand ils sont à l’état solide) sont constitués d’un empilement ordonné
d’atomes.
Le diamètre d’un atome s’exprime en nanomètres. 1 nm = 10-9 m.
Un atome est constitué d’un noyau, entouré d’électrons (Ex. l’atome de cuivre et ses 29
électrons).
Le noyau d’un atome est environ 100 000 fois plus petit que l’atome lui-même.
Selon la matière considérée (fer, aluminium, or, etc.) l’atome n’a pas le même nombre d’électrons,
et le noyau est différent.
Le noyau est de charge électrique positive, et chaque électron est de charge électrique négative.
Au total, un atome est électriquement neutre car la charge négative des électrons est exactement
compensée par la charge positive du noyau.
Dans un métal, le courant électrique est dû à un déplacement d’électrons. Ce déplacement
s’effectue dans le sens opposé au sens conventionnel du courant électrique.
Les liquides et la conduction électrique
Liquides et vie quotidienne
Une « solution aqueuse », c’est de l’eau contenant une ou plusieurs substances dissoutes.
Sur l’étiquette d’un produit chimique dangereux on peut voir le ou les pictogrammes de danger,
les phases de risque et de sécurité.
Un acide concentré est corrosif ; pour le manipuler, il faut porter des lunettes, des gants, des
vêtements appropriés.
Liquides et conduction du courant électrique
L’eau pure (distillée) n’est pratiquement pas conductrice du courant électrique.
Quand on dissout certaines substances dans l’eau :

pour le sucre par exemple, la solution aqueuse obtenue n’est pas plus conductrice que l’eau
pure ;

pour le chlorure de sodium (sel de cuisine) par exemple, ou
du sulfate de cuivre, la solution aqueuse obtenue est
conductrice. Et elle l’est d’autant plus que la quantité de
solide dissoute est grande.
Les solutions aqueuses sont conductrices à condition que les
substances dissoutes soient constituées d’ions.
Si les substances dissoutes sont faites de molécules, la solution aqueuse n’est pas conductrice.
L’origine de la conduction électrique dans les liquides : les ions
Un ion, c’est un atome ou un groupe d’atomes qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.
Toute solution aqueuse ionique est électriquement neutre. Elle contient forcément à la fois des
ions négatifs et des ions positifs. La charge électrique positive totale des ions positifs compense la
charge électrique négative totale des ions négatifs.
Dans une solution aqueuse ionique, les ions de charge électrique positive se déplacent vers
l’électrode de charge électrique négative, et inversement.
C’est ce mouvement à double sens qui constitue le courant électrique dans un liquide.
Transformation chimique des ions en atomes
Le déplacement des ions de charge positive et d’origine métallique dans la solution s’accompagne,
lorsque ces ions atteignent l’électrode négative, de leur transformation chimique en atomes
métalliques.
C’est ce principe qui est utilisé dans la métallisation, ou la production de métal (ex Zn).
Liquides acides, basiques et neutres
Un liquide acide ou basique est conducteur du courant électrique car il contient des ions.
Les ions responsables de l’acidité s’appellent les ions hydrogène (H+)
Les ions responsables de la basicité s’appellent les ions hydroxyde (HO-).
Les liquides neutres peuvent ne contenir aucun ion hydrogène ni hydroxyde, ou alors les contenir
en quantités rigoureusement égales.
Quand un liquide acide contient beaucoup d’ions hydrogène, on dit qu’il est concentré. S’il en
contient peu, on dit qu’il est dilué.
Le pH est un nombre qui exprime le degré d’acidité ou de basicité d’un liquide.
Il varie de 0 à 14. Quand on dilue un acide, son pH augmente et tend vers 7.
Des tests pour reconnaître les ions dans les solutions
Comment reconnaître la présence d’ions dans un liquide ?
Un test positif de reconnaissance d’ion est une transformation chimique (ou réaction chimique)
entre un réactif et l’ion recherché (si le test est positif).
Un précipité est une substance solide qui se forme par transformation chimique entre deux
liquides.
Pour tester la présence d’un ion, il faut connaître (pour l’ion recherché) :

le réactif associé (hydroxyde de sodium ou nitrate d’argent) ;

la couleur du précipité (bleu azur, vert, marron, blanc qui
noircit à la lumière).
Dans le tube 1, il y a l’ion suspecté (ici, l’ion cuivre).
Dans le tube 2, c’est le réactif associé. Le tube 3 montre le précipité bleu qui est le résultat d’une
transformation chimique entre l’ion recherché et le réactif associé.
Réaction entre l’acide chlorhydrique et le fer
Dans la transformation chimique entre l’acide chlorhydrique et le fer :
Les réactifs sont : l’acide chlorhydrique,le fer.
Les produits sont : le gaz dihydrogène,la solution de chlorure de fer II.
Par conséquent, le bilan de la transformation chimique entre l’acide chlorhydrique et le fer s’écrit :
acide chlorhydrique + fer → dihydrogène + solution de chlorure de fer II
Les piles électriques et l’énergie chimique
D’où provient l’énergie électrique d’une pile ?
La transformation chimique entre une solution de sulfate de cuivre et de la poudre de zinc
provoque une augmentation de la température. De la chaleur se dégage, autrement dit de l’énergie
thermique.
Dans une pile, il se produit le même phénomène : la transformation chimique qui se déroule dans
la pile produit non seulement de l’énergie électrique mais aussi de l’énergie thermique.
Les espèces chimiques présentes dans une pile contiennent de l’énergie chimique. Lorsque la pile
fonctionne, une partie de cette énergie est convertie en énergie électrique et en énergie
thermique.
Ce bilan énergétique est schématiquement traduit par cette représentation.
Différentes piles présentes dans la vie quotidienne
L’intérêt majeur des piles est qu’elles permettent d’alimenter des appareils électriques, sans avoir à
les brancher à la prise. Ainsi ces appareils sont « autonomes » : on peut les déplacer librement.
Il existe des piles de différentes formes : cylindrique, plate, rectangulaire, bouton. De plus, elles
existent en différentes tailles ou aspects. Ainsi, on peut alimenter des appareils qui eux-mêmes sont
de formes et de tailles diverses et variées.
La principale caractéristique d’une pile, c’est sa tension électrique. Celle-ci n’est pas liée à la
forme ou à la taille de la pile : ainsi il existe de grosses piles cylindriques dont la tension vaut
seulement 1,5 V, alors que certaines piles bouton ont une tension de 3 V.
La pile saline cylindrique
Observons cette pile neuve puis « usée ».
Il s’est produit dans la pile une transformation chimique, au cours de
laquelle des atomes de zinc Zn se sont transformés en ions .
La consommation des réactifs libère l’énergie électrique et entraine
l’usure de la pile. Pour une pile, on parle donc de « générateur
électrochimique »
La synthèse d’espèces chimiques
Intérêts de la synthèse d’espèces chimiques
Une synthèse d’espèce chimique est une transformation chimique, elle permet de produire des
molécules présentes ou non dans la nature.
Molécule d’acide laurique, l’acide gras majoritaire de l’huile de Coprah.
Pour les espèces chimiques existant dans la nature, la synthèse permet :



d’abaisser les coûts de production,
de préserver les ressources naturelles,
augmenter leur disponibilité.
Pour les espèces chimiques n’existant pas dans la nature, la synthèse permet d’améliorer les
conditions de vie (ex. les plastiques, savons, nylons).
Synthèse d’espèces chimiques existant ou non dans la nature
La synthèse d’espèces chimiques demande de suivre des protocoles précis et de respecter les
règles de sécurité (pictogrammes, règles d’utilisation, de stockage).
Les synthèses d’espèces chimiques font appel à des techniques de laboratoire :


pour fabriquer l’arome de banane (qui est une espèce présente dans la nature), on utilise le
chauffage par bain-marie, le refroidissement à air et l’ampoule à décanter.
pour fabriquer le savon (espèce qui n’est pas présente dans la nature), on utilise le
refroidissement à eau, la filtration par Büchner, le relargage.