Energie chimique et piles électrochimiques

Le contenu du document De nombreux appareils électriques de notre vie quotidienne fonctionnent grâce à des piles. Ces petits dispositifs permettent de fournir de l'énergie électrique, obtenue grâce à une réaction chimique. Comment fonctionnent ces piles ? Comment peuvent-elles produire de l'électricité ? I - L'énergie chimique 1 - Réaction entre la poudre de zinc et les ions Cu2+ R
éalisons l'expérience suivante : Dans un bécher, de la poudre de zinc est ajoutée par portions à une solution de sulfate de cuivre (II). Après quelques minutes, la solution se décolore et devient transparente. La poudre de zinc a disparu et un dépôt métallique rouge est apparu au fond du bécher. La température du milieu réactionnel est mesurée grâce à un thermomètre : elle passe de 20 à après l'ajout du zinc. Un échantillon de la solution finale est prélevé : quelques millilitres de soude y sont additionnés. Un précipité blanc est observé. 2 - Interprétation des observations précédentes Au cours de l'expérience précédente, la poudre de zinc disparait progressivement : elle a été consommée pour permettre la formation d'un nouveau composé chimique, un métal rouge qui se dépose au fond du bécher. Une réaction chimique a donc eu lieu entre le zinc et la solution de sulfate de cuivre (II). Ce sont les ions qui sont responsables de la couleur bleue de la solution de sulfate de cuivre. A la fin de la réaction, cette solution est devenue transparente : par conséquent, les ions ont été consommés. Les réactifs de cette réaction sont donc le zinc et les ions . Après analyse chimique, le dépôt métallique formé se révèle être du cuivre : les ions se sont ainsi transformés en cuivre solide ( rappel : le cuivre est un métal rouge). Il reste maintenant à comprendre ce qui s'est produit avec le zinc. A la fin de la réaction, en présence de soude, un précipité blanc est observé qui est caractéristique de la présence des ions : la poudre de zinc introduite initialement s'est transformée en ions . Les produits de cette réaction sont donc les ions et le cuivre. L'équation-bilan de la réaction entre le zinc et la solution de sulfate de cuivre s'écrit :

Les ions sulfate ne subissent aucune modification au cours de cette réaction : ils restent des ions spectateurs. Cette transformation chimique s'accompagne aussi d'un dégagement de chaleur puisque la température de la réaction passe de 20 à . Cette réaction libère ainsi de l'énergie thermique : c'est une réaction exothermique. D'où provient cette énergie thermique ? Au cours d'une réaction, lorsque les réactifs (dans notre cas, le zinc et les ions ) se transforment, ils libèrent de l'énergie chimique. Une partie de cette énergie est convertie en énergie thermique ; l'autre partie de l'énergie chimique est nécessaire à la formation des produits (ici, le cuivre et les ions ). L'énergie chimique issue d'une réaction peut donc produire de l'énergie thermique. Peut-elle être aussi convertie en énergie électrique, utilisable par les piles ? II - Les piles électrochimiques 1 - Constitution d'une pile Une pile est un petit dispositif capable de fournir de l'énergie électrique à un circuit électrique. Elle est toujours constituée : ??De deux électrodes métalliques. Chacune des électrodes est composée d'un métal différent et conducteur. Elles ne doivent pas être constituées d'un matériau isolant, qui est incapable de conduire l'électricité. ??Ces deux électrodes sont plongées dans une solution ionique, appelée aussi électrolyte. Cette solution permet de mettre en contact les électrodes. 2 - Principe et propriété des piles électrochimiques
Une lame de cuivre et une lame de zinc sont plongées dans une solution de sulfate de cuivre (II). D'après le paragraphe 2.1, ces trois éléments constituent une pile. Celle-ci est insérée dans un circuit électrique fermé : pour cela, la lame de cuivre est reliée à la borne A d'un ampèremètre. Cette lame correspond à la borne (+) du circuit. Quant à la lame de zinc, elle est fixée à la borne COM de l'ampèremètre et correspond à la borne (-) du circuit électrique. Après quelques minutes, les changements, qui ont lieu au niveau de la pile, sont représentés sur le schéma suivant : La solution de sulfate de cuivre est devenue incolore : les ions ont été consommés. Un dépôt rouge de cuivre est aussi apparu au cours de la réaction. Une réaction chimique a eu lieu. Le zinc de l'électrode (-) a été rongé et a réagi avec les ions pour former du cuivre solide et des ions ; la réaction est la même que celle nous avons étudiée dans le paragraphe I.a. Au cours de cette réaction, l'intensité dans le circuit a été mesurée : l'ampèremètre indique une valeur de 0,45A. Le circuit (pile + ampèremètre) est donc traversé par un courant électrique. Dans cette expérience, la réaction chimique est identique à celle présentée dans le paragraphe I.b, mais, dans cette pile, l'énergie chimique des réactifs est transformée principalement en énergie électrique (et non en énergie thermique). A partir d'une réaction chimique, dans un circuit fermé, une pile est donc capable de transformer l'énergie chimique en énergie électrique : on parle de pile électrochimique. C'est cette énergie électrique qui permet de faire fonctionner nos appareils électriques de la vie quotidienne.

Le courant peut circuler d'une électrode métallique à l'autre grâce à la solution ionique dans laquelle elles sont plongées. En effet, dans le chapitre 2, nous avons vu que les solutions ioniques sont conductrices et laissent donc passer le courant électrique. Ce dernier circule de la borne (+) à la borne (-). A l'inverse, les électrons, chargés négativement, sont attirés vers la borne (+) (cf. schéma de la pile paragraphe II.b). 3 - Usure de la pile Les réactifs nécessaires pour effectuer la réaction chimique sont introduits initialement à l'intérieur de la pile ; il n'est plus possible de les remplacer par la suite. Lorsque l'un des réactifs a été entièrement consommé, la transformation chimique ne peut plus avoir lieu : la pile n'est plus capable de fournir de l'électricité. On dit qu'elle est déchargée. Fin de l'extrait

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