Piles, électrolyse et énergie chimique

Repérer une erreur et la corriger

La copie du document 1 contient quatre erreurs ; une ligne est juste. Pour chaque erreur, indique la ligne, explique ce qui est faux et écris ce qu’il fallait dire.

Réponse rédigée. Ce que le correcteur attend, critère par critère :

1. 1.Ligne 1 — oxydation et électrons.

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   C’est l’inverse : s’oxyder, c’est perdre des électrons. Gagner des électrons est une réduction, qui se produit sur la lame de cuivre.

   Le gain d’électrons est la réduction ; elle a lieu à l’autre lame, celle du cuivre.

2. 2.Ligne 3 — le calcul de $E$.

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   Avec une durée en heures, 0,9 est une énergie en wattheures. En joules, il faut convertir 1 h en 3 600 s : $0,9\times 3600=3240$, soit 3 240 J.

   L’énergie sort en joules seulement si la puissance est en watts et la durée en secondes.

3. 3.Ligne 4 — la batterie.

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   Une batterie n’est pas une pile plus grosse : elle réunit plusieurs éléments, piles ou accumulateurs, branchés les uns aux autres.

   La batterie se définit par l’assemblage, non par la taille.

4. 4.Ligne 5 — ce que l’élève compte faire.

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   C’est impossible et dangereux : seule une transformation réversible, celle d’un accumulateur, supporte la recharge ; une pile jetable risque de fuir ou d’éclater.

   Seuls les accumulateurs, dont la transformation se fait dans les deux sens, supportent la recharge.

Raisonner et justifier

Ces questions portent sur l’électrolyse de l’eau. Réponds en justifiant chaque affirmation.

1. 1.Vérifie, atome par atome, que l’équation $2H_{2}O⟶2H_2+O_2$ est équilibrée.

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   Hydrogène : $2\times 2=4$ atomes à gauche et $2\times 2=4$ à droite. Oxygène : 2 atomes à gauche, 2 à droite dans $O_2$. L’équation est équilibrée.

   On multiplie l’indice de chaque atome par le coefficient de la formule, puis on compare les deux membres.

2. 2.Un élève écrit : $H_{2}O⟶H_2+O_2$. Montre que cette écriture ne respecte pas la conservation des atomes.

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   On compte 1 atome d’oxygène à gauche et 2 à droite : un atome d’oxygène apparaîtrait de nulle part. Il faut un 2 devant $H_{2}O$, puis un 2 devant $H_2$.

   Une transformation chimique réarrange les atomes sans en créer ni en détruire : les deux membres doivent en compter autant.

3. 3.Explique, à partir de l’équation, pourquoi on recueille deux fois plus de dihydrogène que de dioxygène.

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   Le coefficient de $H_2$ vaut 2 et celui de $O_2$ vaut 1 ; or les coefficients donnent directement le rapport des volumes de gaz : deux volumes de dihydrogène pour un de dioxygène.

   Le rapport 2 pour 1 se lit dans l’équation équilibrée ; il ne dépend pas de la durée de l’expérience.

4. 4.On remplace le générateur par une lampe. L’eau se décompose-t-elle encore ? Justifie.

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   Non : la décomposition de l’eau ne se produit pas spontanément ; elle doit être imposée par un générateur qui fournit de l’énergie électrique. Une lampe n’en fournit pas.

   L’électrolyse convertit de l’énergie électrique en énergie chimique : sans générateur, aucune énergie n’est apportée.

Résoudre une tâche complexe

Lina doit-elle choisir la pile alcaline ou l’accumulateur ? En t’appuyant sur les documents 2 et 3 et sur tes connaissances, rédige une réponse argumentée. Tes calculs doivent être détaillés ; toute démarche, même incomplète, sera valorisée.

Réponse rédigée. Ce que le correcteur attend, critère par critère :

1. 1.Le moteur : $P$ obtenue à partir de $U$ et de $I$.

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   $9\times 0,25=2,25$ : le moteur consomme 2,25 W.

   $P=U\times I$, avec les valeurs du document 2.

2. 2.Énergie stockée dans chaque source calculée, en wattheures.

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   Pile : $9\times 0,5=4,5$, soit 4,5 Wh. Accumulateur : $9\times 0,3=2,7$, soit 2,7 Wh.

   Le document 3 donne la relation : énergie (Wh) = tension (V) × capacité (A·h). 0,75 point par source, arrondi au demi-point.

3. 3.Autonomie de chaque source calculée.

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   Pile : $4,5÷2,25=2$, soit 2 h. Accumulateur : $2,7÷2,25=1,2$, soit 1,2 h (72 min).

   De $E=P\times t$ on tire $t=E÷P$ ; avec des wattheures et des watts, la durée sort en heures.

4. 4.Autonomies comparées aux besoins du tournoi.

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   Il faut 1 h par jour, soit 3 h en tout. Une pile (2 h) ne suffit pas : il en faut deux. L’accumulateur (1,2 h) couvre une journée et se recharge chaque soir : un seul suffit pour les trois jours.

   $3÷2=1,5$ : une pile et demie, donc deux piles achetées ; l’accumulateur, lui, repart plein chaque matin.

5. 5.Conseil du frère réfuté.

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   Le frère se trompe : la réaction d’une pile alcaline ne se fait que dans un sens, et la brancher le soir mettrait Lina en danger, car la pile peut chauffer jusqu’à éclater.

   La mention « Ne pas recharger » du document 3 est un avertissement de sécurité.

6. 6.Argument environnemental.

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   Deux piles jetées contre un accumulateur réutilisé : moins de déchets contenant des métaux lourds, toxiques pour les sols et l’eau ; en fin de vie, piles et accumulateurs vont dans un point de collecte.

   Le choix ne se fait pas seulement sur l’autonomie : les métaux lourds et le recyclage comptent aussi.

7. 7.Conclusion nette et démarche rédigée.

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   Lina doit choisir l’accumulateur et le recharger chaque soir.

   Une tâche complexe se termine par une réponse claire à la question, appuyée sur les calculs.

Argumenter par écrit

Réponds à chaque question par un raisonnement rédigé.

1. 1.Un accumulateur alimente une lampe ; plus tard, on le branche sur un chargeur relié au secteur. Pour chacune des deux phases, dis s’il fonctionne comme une pile ou comme une électrolyse, et justifie par la conversion d’énergie.

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   En alimentant la lampe, il fonctionne comme une pile : sa transformation spontanée convertit l’énergie chimique en énergie électrique. Pendant la recharge, le chargeur impose un courant qui force la transformation inverse : c’est une électrolyse, qui convertit l’énergie électrique en énergie chimique.

   Ce qui sépare les deux phases, c’est le générateur : le chargeur impose le courant, comme dans toute électrolyse. 0,75 point par phase, arrondi au demi-point.

2. 2.Pourquoi, dans une pile, l’oxydation à une électrode ne peut-elle pas se produire sans la réduction à l’autre ?

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   Les électrons cédés par l’oxydation doivent être captés ailleurs : ils traversent le circuit extérieur et sont gagnés à l’autre électrode par la réduction. Les électrons perdus d’un côté sont exactement ceux qui sont gagnés de l’autre.

   Les électrons ne s’accumulent nulle part : sans réduction pour les capter, l’oxydation ne peut pas se poursuivre.

3. 3.Une publicité affirme : « Notre pile stocke de l’électricité pour des heures. » Corrige cette phrase, puis explique pourquoi la pile finira malgré tout par s’arrêter.

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   Une pile ne stocke pas d’électricité : elle contient des réactifs dont la transformation chimique, autorisée quand le circuit est fermé, convertit leur énergie chimique en énergie électrique. Elle s’arrête quand l’un de ces réactifs est épuisé.

   Une pile ne crée pas d’énergie, elle la convertit ; on doit pouvoir nommer les réactifs qui disparaissent. 1 point pour la correction, 0,5 pour l’arrêt.