Piles, électrolyse et énergie chimique

Utiliser ses connaissances

Observe le document 1, puis réponds aux questions.

1. 1.Montage A : le moteur tourne. Ce dispositif est-il une pile ou une électrolyse ? Justifie, puis nomme la conversion d’énergie.

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   Une pile : le circuit ne contient aucun générateur, c’est le dispositif lui-même qui fait tourner le moteur. Il convertit de l’énergie chimique en énergie électrique.

   Deux électrodes différentes (zinc et cuivre) dans un électrolyte, sans générateur : le dispositif produit le courant. 1 point pour le classement justifié, 0,5 pour la conversion.

2. 2.Montage B : des bulles de gaz apparaissent sur les deux électrodes. Pile ou électrolyse ? Justifie, puis nomme la conversion d’énergie.

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   Une électrolyse : le générateur impose le courant et provoque une transformation chimique, la décomposition de l’eau en gaz. L’énergie électrique est convertie en énergie chimique.

   Un générateur dans le circuit signale une électrolyse ; la conversion va de l’électrique vers le chimique, à l’inverse d’une pile.

3. 3.Montage C : la lampe reste éteinte. Explique pourquoi.

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   Les deux lames sont en cuivre : deux électrodes du même métal ne créent aucune tension, donc aucun courant ne traverse la lampe.

   C’est la différence entre les deux électrodes qui crée la tension d’une pile : sans elle, rien ne se produit.

Exploiter un document

Lis le document 2, puis réponds aux questions. Détaille chaque calcul.

1. 1.Calcule la variation de masse de chacune des deux lames, en précisant si la lame a gagné ou perdu de la masse.

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   Zinc : $15,20-14,87=0,33$, la lame a perdu 0,33 g. Cuivre : $15,42-15,10=0,32$, la lame a gagné 0,32 g.

   Une variation se calcule par différence entre les deux pesées ; 0,5 point par lame, résultat et sens compris.

2. 2.Quelle lame subit une oxydation ? Justifie à l’aide de ta mesure, puis écris l’équation de ce qui se produit à sa surface.

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   La lame de zinc : elle perd de la masse parce que ses atomes perdent chacun deux électrons et passent en solution sous forme d’ions. $Zn⟶Z{n}^{2+}+2e^{-}$

   Une oxydation est une perte d’électrons ; le métal qui part en solution fait maigrir la lame. 1 point pour la justification, 0,5 pour l’équation.

3. 3.D’où vient le métal qui s’est déposé sur la lame de cuivre ? Écris l’équation correspondante et nomme cette transformation.

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   De la solution : les ions $C{u}^{2+}$ y gagnent chacun deux électrons et deviennent du cuivre solide. $C{u}^{2+}+2e^{-}⟶Cu$ : c’est une réduction.

   Un gain d’électrons est une réduction ; le cuivre déposé ne vient pas du zinc, mais de la solution. 0,5 pour l’origine, 0,5 pour l’équation, 0,5 pour le nom.

4. 4.Déduis-en quelle lame est la borne négative de la pile, et décris le trajet des électrons dans le circuit extérieur.

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   La lame de zinc, siège de l’oxydation, est la borne négative : les électrons qu’elle libère traversent les fils et la lampe jusqu’à la lame de cuivre, borne positive.

   L’électrode qui libère les électrons est la borne négative ; dans le circuit extérieur, ils vont de l’électrode oxydée vers l’autre.

5. 5.La pile peut-elle encore fonctionner à la fin de l’expérience ? Indique ce qui finira par l’arrêter.

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   Oui : il reste du zinc sur la lame. Elle s’arrêtera quand l’un des réactifs sera épuisé : le zinc de la lame négative ou les ions cuivre de la solution.

   Une pile cesse de fonctionner quand sa transformation est terminée, faute de l’un des deux réactifs.

Calculer et interpréter

Une lampe de poche est alimentée par une pile plate de 4,5 V. Le courant qui traverse la lampe a une intensité de 0,4 A ; on la laisse allumée pendant 30 min. Réponds en détaillant chaque calcul.

1. 1.Calcule la puissance électrique reçue par la lampe.

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   $4,5\times 0,4=1,8$ : la puissance vaut 1,8 W.

   $P=U\times I$, avec la tension en volts et l’intensité en ampères : le résultat est en watts.

2. 2.Quelle énergie la lampe a-t-elle reçue pendant ces 30 min ? Exprime-la en joules.

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   $30\times 60=1800$ : la durée vaut 1 800 s. $1,8\times 1800=3240$ : l’énergie vaut 3 240 J.

   $E=P\times t$ donne des joules si la puissance est en watts et la durée en secondes. 0,5 pour la conversion, 1 pour l’énergie.

3. 3.Exprime cette énergie en wattheures, sachant que 1 Wh = 3 600 J.

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   $3240÷3600=0,9$ : l’énergie vaut 0,9 Wh.

   Pour passer des joules aux wattheures, on divise par le nombre de joules que contient un wattheure.

4. 4.Pour retrouver ce résultat, Hugo écrit : « 30 min = 0,30 h, donc E = 1,8 × 0,30 = 0,54 Wh. » Trouve son erreur et corrige le résultat.

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   30 min font une demi-heure, soit 0,5 h et non 0,30 h : $1,8\times 0,5=0,9$, et l’énergie vaut bien 0,9 Wh.

   Une heure compte 60 minutes : 30 min en sont la moitié. Les deux méthodes doivent donner le même résultat.

5. 5.Une lampe plus économe, de puissance 0,9 W, reçoit la même énergie de 3 240 J. Pendant combien de temps a-t-elle brillé ?

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   $3240÷0,9=3600$ : la durée vaut 3 600 s, soit 1 h.

   De $E=P\times t$ on tire $t=E÷P$ : deux fois moins de puissance, deux fois plus de temps.

Écrire pour expliquer

Dans un tiroir, Léa a des piles alcalines usées et des accumulateurs Ni-MH déchargés. Elle compte tout mettre sur son chargeur, puis jeter à la poubelle ce qui ne se recharge pas. En t’appuyant sur le document 3 et sur le cours, rédige un paragraphe de huit à dix lignes pour la conseiller.

1. 1.Je distingue, grâce aux étiquettes, ce qui se recharge et ce qui ne se recharge pas.

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   Seul l’accumulateur Ni-MH est rechargeable ; la pile alcaline porte la mention « Ne pas recharger ».

   Le document 3 donne l’information : il faut la prélever et la citer, pas la deviner.

2. 2.Je donne la raison chimique pour laquelle la pile alcaline refuse la recharge.

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   Sa réaction est irréversible : elle ne se déroule que dans un sens, contrairement à celle d’un accumulateur.

   Un accumulateur se recharge parce que sa transformation se fait dans les deux sens ; une pile, non.

3. 3.Je dis ce que Léa risque en mettant une pile alcaline sur le chargeur.

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   Le chargeur forcerait un courant dans la pile : elle chaufferait, dégagerait des gaz et pourrait couler ou exploser.

   « Ne pas recharger » est un avertissement de sécurité, pas une précaution commerciale.

4. 4.Je justifie l’interdiction de jeter piles et accumulateurs avec les ordures.

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   Ils contiennent des métaux lourds (plomb, cadmium, mercure, lithium), toxiques pour les sols et l’eau.

   C’est la toxicité des métaux lourds qui rend la collecte séparée obligatoire.

5. 5.J’indique où les déposer et ce que permet le recyclage.

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   Dans un point de collecte, que les commerces qui vendent des piles doivent proposer ; le recyclage récupère des métaux dont les gisements sont limités.

   Le recyclage protège l’environnement et économise des ressources limitées : deux raisons, à citer toutes les deux.

6. 6.Mon texte forme un paragraphe : une idée annoncée, expliquée avec des connecteurs, puis une conclusion.

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   Ouverture possible : « Léa ne doit pas tout recharger, ni rien jeter à la poubelle, car… » ; conclusion qui résume les deux gestes justes.

   Un paragraphe se lit d’un seul tenant : il répond dès la première phrase et conclut à la dernière.