Ou comment transformer l’énergie chimique en énergie électrique

Présentation au sujet: "Ou comment transformer l’énergie chimique en énergie électrique"— Transcription de la présentation:

1 Ou comment transformer l’énergie chimique en énergie électrique
Les piles Ou comment transformer l’énergie chimique en énergie électrique

2 Pile de Bagdad - IIIème av.J.C.

3 Luigi Galvani Son expérience : des cuisses de grenouilles sont mises en contact avec différents métaux. Il constate des contractions ; il nomme sa découverte « électricité animale ». Malheureusement, il attribue la production d'électricité à la cuisse elle-même, ce qui se révèlera être une erreur.

4 Alessandro Volta Il met l'accent sur la nécessité d'un circuit électrique fermé constitué de métaux. Au début de l'année 1800, Volta publie dans une lettre l'invention de la pile voltaïque qu'il a mise au point. Un empilement de couples de disques ZINC - CUIVRE en contact direct, chaque couple étant séparé du suivant par un morceau de tissu imbibé de saumure.

5 Principe Au cours du fonctionnement d’une pile, un transfert spontané d'électrons a lieu entre un métal M1 (le réducteur) et un cation métallique M2n’+ (l'oxydant).

6 Description Une pile est constituée par :
- un premier métal M1 plongeant dans une solution contenant l'oxydant associé M1n+ (demi pile 1) - un second métal M2 plongeant dans une solution contenant l'oxydant associé M2n’+ (demi pile 2) - un pont salin reliant les deux solutions, qui sont donc séparées physiquement. Pont salin Demi pile Demi pile 2

7 Description Pont salin Métal M1 Solution M1n+ ; X1n- Solution

8 Principe de fonctionnement
Le sens spontané du transfert d'électrons dans une pile peut être déterminé à partir de la connaissance de la classification électrochimique des couples Ox / Réd. Soit une pile pour laquelle la réaction d'oxydoréduction spontanée est : l’ion M2n’+ réagit avec le métal M1 pour donner... On en déduit que : - l'électrode M1 constitue le pôle négatif de la pile, l'anode, où se produit l'oxydation du métal M1  ; - l’électrode M2 constitue son pôle positif, la cathode, où se produit la réduction du cation M2n’+ .

9 Le schéma conventionnel de la pile est - M1 / M1n+ // M2n’+ / M2 +
Anode : Oxydation Le métal perd des électrons pour devenir l’ion Cathode : Réduction Les cations gagnent des électrons pour devenir le métal

10 Les caractéristiques d’une pile
un pôle positif (P) et un pôle négatif (N), les électrons (cédés par M1) circulant de N vers P ; une force électromotrice (f.é.m.) E, tension « à vide » ; l’intensité I du courant qu'elle débite dans un circuit, dont le sens est de P vers N à l’extérieur de la pile.

11 Les caractéristiques d’une pile
La quantité d'électricité mise en jeu lors d'une réaction d'oxydoréduction pendant la durée Δt est Q = I x Δt La quantité d'électrons échangés au cours de la réaction d'oxydoréduction est n(e-) = Q / F F est une constante, le Faraday ; c’est la charge portée par une mole d’électrons. F = 9,63 x 104 C.mol-1

12 Étude d’un exemple La pile Daniell est une pile zinc - cuivre (1836).
La demi-pile « cuivre » est constituée par une lame de cuivre et par une solution aqueuse de sulfate de cuivre II (volume V1 = 50 mL) de concentration en soluté apporté C1 = 1,0 mol.L–1 . La demi-pile « zinc » est constituée par une lame de zinc et par une solution aqueuse de sulfate de zinc II (volume V2 = 50 mL) de concentration en soluté apporté C2 = 1,0 mol.L–1 .

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14 Les demi-piles sont reliées par un pont salin : un tube de verre en U est rempli d’une solution ionique gélifiée de chlorure de potassium, dont les ions sont inertes chimiquement par rapport aux espèces chimiques contenues dans les demi-piles. On relie les électrodes par un milliampèremètre et un conducteur ohmique en série. Observation : le courant électrique circule, à l’extérieur de la pile, de l’électrode de cuivre vers l’électrode de zinc. L’intensité du courant est de 20 mA. On laisse la pile fonctionner ainsi pendant 2,0 h.

15 Questions a- Établir le schéma conventionnel de la pile
b- Schématiser la pile et le circuit électrique ; préciser le signe de chaque borne de la pile ; indiquer le sens du courant électrique et le sens de déplacement des électrons dans le circuit. c- A quelle électrode de la pile les électrons sont-ils produits ? Écrire la demi équation de la transformation correspondante. Oxydation ou réduction ? d- A quelle électrode de la pile les électrons sont-ils consommés ? Écrire la demi équation de la transformation correspondante. Oxydation ou réduction ? e- Nommer chacune des électrodes. f- Indiquer sur le schéma le mouvement des cations dans chaque bécher ; indiquer le mouvement des ions dans le pont salin.

16 Questions g- Comment évolue la concentration en ions Cu2+ dans la demi-pile « cuivre » ? Comment évolue la concentration en ions Zn2+ dans la demi-pile « zinc » ? h- Comment évolue la masse de cuivre solide ? Comment évolue la masse de zinc solide ? i- Écrire l’équation de la réaction (globale) d’oxydoréduction qui a lieu au sein de cette pile ; cette réaction est-elle spontanée ? Entre quelles espèces chimiques le transfert d’électrons a-t-il lieu ? Ce transfert est-il direct ou indirect ?

17 Questions j- Etude quantitative de la pile : on suppose que l’intensité I mesurée reste constante. 1- Calculer la quantité d’électricité Q (charge en coulomb) qui circule pendant l’expérience. 2- Calculer la quantité de matière d’électrons qui circulent pendant l’expérience. 3- Calculer la variation de masse de l’électrode en cuivre. 4- Calculer la variation de masse de l’électrode en zinc. 5- Calculer les variations de concentrations en ions métalliques dans les solutions.