TP pile (ML 2012) - lagouge@ecole

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QU’EST-CE QU’UNE PILE ? COMMENT FONCTIONNE-T-ELLE ?
Un grand nombre d’appareils électriques fonctionnent avec des piles.
Elles convertissent de l’énergie chimique en énergie électrique grâce à des réactions d’oxydoréduction.
Ces piles sont salines, alcalines, ou encore à combustibles.
Il existe aussi des piles rechargeables : les accumulateurs.
La première pile : La pile de Volta et son inventeur Alessandro Volta (1745-1827)
C’est un empilement de disques de cuivre et de zinc, séparés par une étoffe imbibée d’eau salée.
D’où le nom de « pile ».
Une nouvelle discipline est née : l’électrochimie, intersection entre les deux sciences électricité et chimie.
Buts : :
Revoir les notions « tension » et « courant électrique » indispensables pour la suite ; Introduire la notion de fem E d’une pile
Réaliser et étudier le fonctionnement de deux piles.
I. Tension - courant électrique
1) Tension électrique
Une tension électrique est mesurée avec un voltmètre placé en dérivation.
L’unité de la tension est le Volt : symbole V
Pour mesurer la tension UAB entre les points A et B d’un circuit,
on relie :
- le point A à la borne V du voltmètre
- le point B à la borne COM du voltmètre
La tension U AB peut apparaitre sur le cadran du voltmètre avec un signe – devant la valeur.
-
2) Force électromotrice (fem) E d’une pile
Soient P et N les bornes positive et négative d’une pile.
La force électromotrice d’une pile est la tension entre ses bornes lorsqu’elle ne débite aucun courant électrique I :
E = (U PN) I = 0 avec E positive E > 0
Remarque importante : Si on lit sur le cadran du voltmètre une valeur avec un signe – devant c’est que c’est la borne négative N de la
pile qui a été reliée à la borne V du voltmètre : c’est la tension UNP que l’on a mesurée.
Matériel :
Une pile plate avec pinces crocodiles, un multimètre en mode voltmètre, deux fils de connexion.
 Repérer les bornes P et N de la pile
 Avec le voltmètre, mesurer successivement les tensions UPN et UNP
1. Compléter :
Petite lame de la pile = borne …………..……. de la pile
Grande lame de la pile = borne ………………… de la pile
UPN = ………… V . La borne P, borne ………………… de la pile est reliée à la borne ……. du voltmètre.
UNP = ……… V . La borne N, borne ………………….. de la pile est reliée à la borne …… du voltmètre.
2. Soient M1 et M2 les deux bornes métalliques d’une pile électrochimique. On mesure la tension UM1M2 et on obtient UM1M2 < 0
Quelle est la borne négative de la pile : M1 ou M2 ? Quelle est fem E de la pile ?
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3) Courant électrique
 Un courant électrique est un déplacement de porteurs de charges dans un circuit fermé.
Les porteurs de charge sont :
- les électrons e- dans les métaux et les fils
- les ions dans les liquides.
 A l’extérieur d’une pile, le sens de circulation du courant électrique est le sens :
borne positive borne négative
Les électrons e - se déplacent dans le sens opposé au sens conventionnel du courant électrique.
 L’intensité I d’un courant électrique se mesure avec un ampèremètre branché en série dans un circuit.
Remarque importante :
Le signe de l’intensité I lu sur le cadran de l’ampèremètre permet de déterminer le sens de circulation du courant électrique dans le
circuit étudié.
Bien observer les deux schémas ci-dessus à droite.

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Matériel :
Une pile plate avec pinces crocodile, un multimètre en mode ampèremètre, 4 fils de connexion, une résistance de 10 Ω sur platine.
 Réaliser le circuit série : pile- résistance 10 Ω – ampèremètre.
3. Faire un schéma du montage. Indiquer les bornes « A » et « COM » de l’ampèremètre, les bornes P et N de la pile et le sens
conventionnel du courant I ainsi que la tension lue .
II. PILE ZINC-CUIVRE plaque de cuivre plaque de zinc
1) Expérience préliminaire :
 Introduire une plaque de cuivre et une plaque de zinc bien décapées dans un bécher
contenant 2 solutions : du sulfate de cuivre et du sulfate de zinc.
 Observer après quelques minutes la formation d’un dépôt orange sur la lame de zinc,
aucun dépôt gris sur la plaque de cuivre.
1. Les deux couples en présence sont : Cu 2+ (aq) / Cu(s) et Zn 2+ (aq) / Zn(s) .
Ecrire les ½ équations d’oxydoréduction associées.
Déduire d’après vos observations, l’équation de la réaction qui a lieu dans le bécher.
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2) Etude de la pile zinc-cuivre
 Réaliser le montage ci-contre :
2. Brancher le voltmètre (en position V=) aux bornes de la pile et
relever la valeur de la tension mesurée.
U Cu-Zn = …………………………………………………..
3. En déduire les bornes positive et négative de la pile.
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4. Que se passe-t-il si on enlève le pont salin ?
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5. Quelle est la valeur de la f.e.m E Cu-Zn de la pile ? ……………………………………………………………………………..
 Retirer le voltmètre et brancher en série aux bornes de la pile zinc-cuivre une résistance de 10 Ω et l’ampèremètre (en position μA) .
6. Quels sont la valeur et le signe de l’intensité I débitée par la pile ?
Dans quel sens circule le courant électrique entre les deux lames ?
Est-ce cohérent avec les polarités de la pile ? Justifier.
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7. En vous aidant du schéma ci-dessus, dessiner le schéma du montage.
Indiquer sur le schéma :
- les pôles de la pile
- le sens de circulation du courant électrique I
- le sens de circulation des électrons ( e-) dans les métaux et dans les fils.
- le sens de circulation des ions ammonium NH4 +
- et des ions nitrates NO3 – dans la bande de papier (pont salin).
8. Quelle réaction a lieu à l’interface cuivre-sulfate de cuivre ? Même question pour l’interface zinc-sulfate de zinc.
En déduire l’équation de la réaction qui se produit lors du fonctionnement de la pile. Comparer avec celle du I.1)
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III. PILE CUIVRE- ARGENT
1) Etude de la pile cuivre-argent
 Construire la pile électrochimique cuivre-argent :
- fil d’argent plongeant dans 20 mL d’une solution de nitrate d’argent à 0,01 mol.L-1
- lame de cuivre plongeant dans 20 mL de sulfate de cuivre à 0,10 mol.L-1
- pont salin constitué d’une bande de papier filtre imbibé d’une solution de nitrate d’ammonium.
9. Déterminer les bornes positive et négative de la pile à partir d’une mesure de tension.
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10. Faire un schéma de la pile lorsqu’elle débite dans une résistance de 10 Ω (s’inspirer du schéma de la pile précédente). Indiquer, les
pôles de la pile, et le sens de circulation du courant électrique et des électrons.
11. Quelle réaction a lieu à l’interface argent - nitrate d’argent ? Même question pour l’interface cuivre-sulfate de cuivre.
En déduire l’équation de la réaction qui se produit lors du fonctionnement de la pile.
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Conclusion
Une pile est bien le siège d’une réaction d’oxydoréduction mais le transfert d’électrons entre l’oxydant d’un couple et le réducteur de
l’autre couple n’est pas direct : les électrons ne sont pas échangés au contact entre les réactifs comme pour II. 1) mais les électrons sont
transférés à travers le circuit électrique qui relie les deux compartiments contenant chacun un couple Ox/Red
Un courant électrique est ainsi crée dans le circuit par la pile.

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