Les piles électrochimiques

Chapitre V
Les piles électrochimiques
I] Transformation chimique entre un métal et une solution ionique
TP n°9 : Réaction chimique entre le zinc et les ions cuivre (II)
But du TP : - Réaliser, décrire et schématiser la réaction entre une solution aqueuse de
sulfate de cuivre et de la poudre de zinc par contact direct.
Expérience n°1
Plongeons une lame de zinc dans une solution de sulfate de cuivre.
Schéma
Solution
incolore
Zinc
Solution
bleue
( Cu2+ )
 Observations
La solution de sulfate de cuivre
se décolore et la lame de zinc
se
recouvre
d’un
dépôt
rougeâtre.
Dépôt
rouge
 Comment peut-on expliquer la décoloration de la solution ?
La décoloration de la solution est due à la disparition des ions cuivre (II) Cu2+ lors de la
transformation chimique.
 Comment peut-on expliquer l’apparition du dépôt rouge sur la lame de zinc ?
La couleur rouge est due à l’apparition de cuivre sur la lame de zinc lors de la
transformation chimique.
Expérience n°2
Mesurons l’évolution de la température lors de l’ajout de poudre de zinc dans une solution
de sulfate de cuivre.
Tinitiale = 18,2°C
Tfinale = 20,9°C
 Quelle forme d’énergie apparaît lors de la transformation chimique ?
Comme la température augmente, il y a apparition d’énergie thermique lors de la
transformation chimique.
 D’où provient cette énergie libérée dans le milieu réactionnel ?
Cette énergie thermique provient des réactifs, qui en disparaissant se transforment en
produits et libèrent de l’énergie thermique.
Conclusion : Dans cette transformation chimique, le zinc réagit avec les ions cuivre (II)
Cu2+ pour former du cuivre Cu et des ions zinc Zn2+.
II] Pile au sulfate de cuivre
TP n°10 : La pile au sulfate de cuivre
 Expérience
- Schéma
Pour montrer qu’une lame de cuivre et de zinc trempant dans une solution de
sulfate de cuivre constituent une pile, on utilise un voltmètre
qui va mesurer la tension aux bornes de la pile.
COM
V
Zinc
Comme U > 0V, la borne V du voltmètre est
V
reliée à la borne + de la pile, c'est-à-dire la
lame de cuivre.
Cuivre
La lame de zinc est la borne - .
U = 1V > 0
Solution de sulfate de cuivre
Conclusion : Une pile élémentaire est constituée de deux lames de métaux différents
appelées électrodes séparées par une solution conductrice appelée électrolyte.
 Pile
en fonctionnement – Origine du courant électrique
La lame de zinc est la borne négative de la pile. Elle fournit
les électrons qui constituent le courant électrique à l’extérieur
de la pile : ils proviennent de la transformation d’atomes de zinc en
ions zinc Zn2+ qui passent en solution.
Dans les fils conducteurs, les électrons rejoignent la borne positive
de la pile, c’est à dire la lame de cuivre.
Sur cette plaque, ces électrons sont capturés par les ions cuivre (II)
Cu2+ présents dans la solution pour former des atomes de cuivre Cu
qui se déposent sur la lame de cuivre.
La solution s’appauvrit en ions Cu2+ : la teinte bleue disparaît.
L’énergie mise en jeu dans une pile en fonctionnement provient d’une transformation
chimique : la consommation des réactifs, ici le zinc Zn et
les ions cuivre (II) Cu2+ , entraîne l’usure de la pile.
Dans une pile électrochimique, l’énergie chimique rendue disponible
par la transformation des réactifs est principalement transférée
sous forme électrique au circuit extérieur lorsqu’elle fonctionne.
énergie
chimique
III] Histoire des piles
Pile électrochimique
énergies
électrique et thermique
Questions
1) Qui inventa la première pile ? En quelle année ?
2) Quels sont les inconvénients de cette première pile ?
3) Quelle est l’amélioration apportée par la pile Daniell ?
4) Quels sont les avantages de la pile Leclanché ?
1) La première pile fut inventée par VOLTA en 1800 : c’était un empilement de cuivre et de
zinc d’où le nom de pile.
2) La première pile contenait de l’acide liquide qui coulait le long de celle-ci.
3) La pile DANIELL ( 1836 ) fournit une tension constante jusqu’à épuisement des réactifs.
4) La pile LECLANCHE ( 1866 ) contient un électrolyte sous forme de gel évitant à la pile
de couler.
IV] La pile du futur : la pile à combustible ( PAC )
La pile à combustible : une pile d’avenir ?
Questions
1) En quelle année et par quel scientifique le principe des piles à combustibles a-t-il été
établi ?
2) Citez 2 combustibles pouvant être utilisés dans une pile à combustible.
3) Quelles réactions chimiques ont lieu aux deux électrodes d’une pile à acide
phosphorique ?
4) Citez 2 utilisations des piles à combustibles.
5) Citez 2 avantages et 1 inconvénient des piles à combustible.
1) Le principe des PAC a été imaginé par Henry DAVY en 1802.
2) Une PAC utilise le dioxygène et le dihydrogène comme combustibles.
3) A la borne positive, il y a production d’eau à partir du dioxygène :
O2 + 4H+ + 4e2H2O
A la borne négative, il y a décomposition du dihydrogène :
2H2
4H+ + 4eDonc, globalement : O2 + 2H2
2H2O
4) Les PAC sont utilisées dans les voitures électriques et les cogénérateurs de chaleur.
5) - Les 2 avantages des PAC sont : aucun déchet polluant produit, pas de recharge car
réactifs inépuisables.
- Un inconvénient est son coût élevé.