T3 : les piles

T4
1 BAC PROFESSIONNELLE
POURQUOI ETEINDRE SES PHARES QUAND LE MOTEUR EST ARRETE ?
QUELLE EST LA DIFFERENCE ENTRE UNE PILE ET UN ACCUMULATEUR ?
I LA PILE DANIELL
1° Expérience
Réalisez le montage de la pile Daniell. Les deux solutions
sont mises en contact par l'intermédiaire d'un vase poreux,
sans que les solutions se mélangent. Reliez les deux
électrodes à un voltmètre à zéro central.
Observez, interprétez puis notez sur le croquis le pole
positif et le pole négatif, le sens de déplacement du courant
et des électrons.
2° Conclusion
V
Pôle - : électrode en .............
Pôle + : électrode en .............
Equation de la réaction : ..........................
fem de la pile : ........
II AUTRES PILES
Dans les piles suivantes, l'échange se fait par un pont salin et la concentration est 1 mol/l.
Montage
1
2
3
Couples
Pole +
Pole fem (V)
Réaction au +
Réaction au Equation bilan
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Conclusion
Une pile est constituée par 2 ........... ............. reliées par un .............. salin conducteur.
Une demi pile métallique est constituée par une ....................... en métal M plongeant dans une solution
contenant son .................... Mn+.
Le pole positif est constitué par le métal le moins ...........................
Le pole négatif est constitué par le métal le plus réducteur
La force électromotrice de la pile ( fem) est d’autant plus grande que les pouvoirs réducteurs des
métaux sont plus ................................ dans la classification électrochimique
Ce sera un moyen de classer les couples Mn+/M par rapport à un couple de référence, ici le couple Cu 2+/Cu.
III POTENTIEL D'OXYDOREDUCTION D’UN COUPLE Mn+/M
Dans la pratique, c'est le couple H3O+/H2 qui a été choisi
comme référence pour la mesure des pouvoirs réducteurs.
Le potentiel normal d'un couple sera positif si le métal est moins
réducteur que le dihydrogéne et négatif dans le cas contraire.
A partir du tableau, retrouvez toutes les fem trouvées précédemment.
IV PILES SECHES
1° Pile Leclanché
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Couples
Ox/Red
Au 3+ /Au
Pt 2+ /Pt
Hg 2+ /Hg
Pd 2+ /Pd
Ag + /Ag
Cu 2+ /Cu
H3O+ /H2
Pb 2+ /Pb
Sn 2+ /Sn
Ni 2+ /Ni
Fe 2+ /Fe
Cr 3+ /Cr
Zn 2+ /Zn
Al 3+ /Al
Mg 2+ /Mg
Na + /Na
Ca 2+ /Ca
K + /K
Li+ /Li
E(V)
1,51
1,00
0,85
0,83
0,80
0,34
0
-0,13
-0,14
-0,23
-0,44
-0,74
-0,76
-1,66
-2,37
-2,71
-2,87
-2,92
-3,04
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2° Pile alcaline
Les procédés technologiques sont différents, mais le fonctionnement des piles alcalines et Leclanché repose sur
l'oxydoréduction des couples Zn2+/Zn et MnO2/Mn2O3.
Ecrivez les demi équations.
Zn
........... + 2e-
2 MnO2 + 2e- + 2H3O+
Mn2O3 + 3 H2O
La réaction se fait en milieu acide pour la pile Leclanché, et en milieu basique pour la pile alcaline.
Quelle est celle qui, pour un même encombrement, dure cinq fois plus longtemps
3° Pile bouton
V ACCUMULATEUR
Les accumulateurs sont des convertisseurs d’énergie, mais contrairement aux piles qui se
détruisent de manière irréversible en fonctionnant, les réactifs des accumulateurs peuvent
être régénérés par le passage d’un courant électrique.
décharge
Énergie chimique
Énergie électrique
charge
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La chaîne conductrice est constituée par :
* des plaques recouvertes d'oxyde de plomb
PbO2 (pole +)
* de l'acide sulfurique dilué avec de l'eau
pure (électrolyte)
* des plaques de plomb pur spongieux (pole -)
la demi équation d'oxydation à l'anode est :
PbO2 + 4 H+ + 2 e–
Pb2+ + 2 H2O
la demi équation de réduction à la cathode est :
Pb2+ + 2e-
Pb
Les batteries automobiles sont constituées d’accumulateurs au ................. La tension mesurée aux bornes
d’un accumulateur est d’environ 2 V. Pour obtenir la tension recherchée (6 V, 12 V, 24 V),
les accumulateurs sont montés en ...................... et constituent une batterie d’accumulateurs.
• Chaque accumulateur comprend deux électrodes en plomb (Pb) dont l’une est recouverte de dioxyde de
plomb (PbO2) baignant dans une solution aqueuse d’..................
..........................
• Au cours de la décharge, l’accumulateur est un générateur de courant ..................... Il se comporte
comme une pile. Les réactions sont spontanées : la borne négative est le siège d’une oxydation
(Pb
Pb2+ + 2 e–) tandis qu’une réduction (PbO2 + 4 H+ + 2 e–
Pb2+ + 2 H2O)
se déroule à la borne positive.
• Au cours de la charge, l’accumulateur fonctionne en ........................ : sa borne négative est reliée à la
borne négative d’un générateur et sa borne positive est reliée à la borne positive de ce générateur.
Le générateur délivre une tension continue ....................... à celle de l’accumulateur et impose le sens du
courant. Les réactions chimiques sont des réactions forcées, en sens inverse de celles observées au cours
de la décharge ( Pb2+ + 2 e-
Pb
et Pb2+ + 2 H2O
PbO2 + 4 H+ + 2 e-).
Les réactifs sont régénérés. À la fin de la charge, l’accumulateur peut être à nouveau utilisé en générateur
de courant continu.
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Exercice 1
Le fer peut être chimiquement attaqué lorsqu'il est en présence d'ions métalliques.
1. Compléter le tableau suivant en utilisant certains des termes ci-dessous
atome - ion - mole - fer – argent
Espèce chimique
Symbole
Nature (atome, ion, molécule)
Fe
Zn 2+
Ag +
Nom de l’élément
Zinc
2. On veut réaliser une pile constituée des couples Fe2+/Fe et Ag+/Ag.
a. En vous aidant d'un extrait de la classification électrochimique ci-après, indiquer, parmi les schémas proposés cidessous, celui qui est correct.
b. Indiquer dans le tableau n°1 pourquoi trois schémas des piles électrochimiques sont incorrects. (S'aider de la liste
d'affirmations du tableau n°2)
Tableau n° 1
Numéro du schéma incorrect de la pile
La raison du schéma incorrect
Le schéma …………………
Affirmation ………………….
Le schéma …………………
Affirmation ………………….
Le schéma …………………
Affirmation ………………….
Affirmation 1
Affirmation 2
Affirmation 3
Affirmation 4
Affirmation 5
Affirmation 6
Tableau n°2 : une liste d'affirmations
Le pôle négatif correspond à l'argent.
Le pôle négatif correspond au fer.
Il faut un pont salin dans une pile électrochimique.
Il ne faut pas nécessairement de pont salin dans une pile électrochimique.
Le fer peut plonger dans une solution contenant des ions argent Ag+ et
l'argent peut plonger dans une solution contenant des ions fer Fe 2+.
Le fer doit plonger dans une solution contenant des ions fer Fe 2+ et l'argent
doit plonger dans une solution contenant des ions argent Ag+.
3. Compléter les phrases suivantes en choisissant parmi les termes suivants : fer ; argent.
Le (ou L’) ………………. est oxydé.
Le (ou L’) ………………. est plus réducteur que le (ou l') ……………….
4. Expliquer pourquoi le zinc peut protéger le fer contre la corrosion en étant à son contact. (S'aider de l'extrait de
la classification électrochimique)
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Exercice 2
Quatre solutions différentes sont réparties dans quatre tubes à essais nommés A, B,
C et D. L’objectif de l’exercice est, à partir de faits expérimentaux, de retrouver le
cation métallique présent dans chaque tube
On donne le tableau suivant :
Cation métallique
testé
Couleur du cation en
solution
Couleur du précipité
obtenu par l’addition
de soude
Aℓ 3+
Ag+
Fe 2+
Cu 2+
Fe 3+
Mg 2+
incolore
incolore
verdâtre
bleu
rouille
incolore
blanc
blanc
vert
bleu
rouille
blanc
1. Reconnaissance du cation du tube A :
La solution contenue dans le tube A est de couleur bleue. Identifier le cation métallique présent dans ce tube.
2. Reconnaissance du cation du tube B :
Dans les trois tubes restants, on introduit une solution de soude :
Observations : - Tube B : précipité vert
- Tube C : précipité blanc
- Tube D : précipité blanc
À l’aide des observations et du tableau précédent, identifier le cation présent
dans le tube B.
3. Reconnaissance des cations présents dans les solutions des tubes C et D :
Après la réaction précédente, on vide les tubes C et D et on y remet les solutions initiales respectives. Afin
d’identifier les cations présents dans les solutions des 2 derniers tubes, on réalise l’expérience d’oxydoréduction
suivante :
Observations : - Tube C : Pas de réaction
- Tube D : Dépôt noirâtre sur la lame
À l’aide de ces observations et de l’extrait de classification électrochimique donné ci-dessus, identifier le cation
présent dans chacun de ces tubes.
4. La réaction décrite dans la question 3 est à la base du fonctionnement d’une pile à l’oxyde d’argent. Une telle
pile est constituée des deux couples suivants :
- Au pôle – de la pile : Zn 2+/Zn
- Au pôle + : Ag+/Ag
a. Recopier et compléter les demi équations électroniques :
Au pôle – :
Zn →………… + ………
Au pôle + :
Ag+ + ……… →…………
b. Écrire la réaction globale d’oxydo-réduction.
c. La force électromotrice d’une pile est égale à la différence entre le potentiel de la borne + et celui de la borne – .
Calculer la force électromotrice, notée E, de la pile à l’oxyde d’argent.
Données :
P CORMERAIS
- Valeur du potentiel du couple Ag+/Ag : 0,8 V
- Valeur du potentiel du couple Zn2+/Zn : - 0,76 V
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