Fiche à trous · 3ème · Physique-Chimie

Piles, électrolyse et énergie chimique

Complétez de mémoire, puis vérifiez avec la page de corrigé.

Une pile ne contient pas d'électricité. Elle contient une transformation chimique qui n'a pas encore eu lieu — et le circuit est ce qui l'autorise à se produire. C'est pour cela qu'une pile s'use : ses réactifs se consomment, exactement comme le bois d'un feu. Comprendre cette phrase, c'est comprendre tout le chapitre.

Ce qu'il y a dans une pile

Définition — pile électrochimique :

Règle

Dire qu'une pile est « vide » est une image trompeuse. Rien ne s'est vidé : l'un de ses réactifs est épuisé. C'est la raison pour laquelle une pile usagée pèse presque exactement le même poids qu'une pile neuve, et pourquoi on ne la « remplit » pas — on ne peut que refaire la transformation en sens inverse, quand la pile le permet.

Le circuit : deux sens qu'il ne faut pas confondre

Définition — électrode, borne + et borne − :

Règle

Piège

Écrire que le courant sort de la borne négative parce que « c'est là que partent les électrons ».

Poser deux flèches de couleurs différentes sur le schéma dès le brouillon : une pour le courant, une pour les électrons, et vérifier qu'elles sont bien opposées.

Oxydation et réduction : ce qui se passe aux électrodes

Définition — oxydation et réduction :

Exemple

Dans une pile zinc-cuivre, écrire ce qui se passe à chaque électrode et prévoir l'évolution des deux lames.

Résultat :

Cette usure explique la fin de vie d'une pile. La transformation s'arrête quand l'un des deux réactifs vient à manquer — le métal de l'électrode négative, ou les ions de la solution. Rien n'est « tombé en panne » : la réaction est simplement terminée.

L'électrolyse : la transformation forcée à l'envers

Définition — électrolyse :

12.

Exemple

On électrolyse de l'eau salée. Écrire l'équation de la transformation et prévoir les volumes recueillis.

Résultat :

Distinguer une pile d'une électrolyse

Piège

Croire qu'il suffit de brancher n'importe quelle pile sur un générateur pour la recharger.

Lire la mention portée sur l'objet. « Rechargeable » ou « Ni-MH » désigne un accumulateur ; « ne pas recharger » est un avertissement, pas une précaution commerciale.

Piles, accumulateurs et batteries

Définition — pile, accumulateur, batterie :

Piles et accumulateurs contiennent des métaux lourds — plomb, cadmium, mercure, lithium — toxiques pour les sols et l'eau. Ils ne se jettent pas avec les ordures ménagères : la collecte séparée est obligatoire, et les points de dépôt sont imposés aux commerces qui en vendent. Le recyclage permet en outre de récupérer des métaux dont les gisements sont limités.

L'énergie fournie par une pile

Règle

Exemple

Une pile plate de 4,5 V alimente une lampe parcourue par un courant de 0,2 A pendant 1 h. Calculer l'énergie fournie.

Résultat :

Mes deux électrodes sont-elles de natures différentes ? Deux lames identiques ne font pas une pile.
Ai-je distingué le sens du courant (+ → −) de celui des électrons (− → +) ?
Oxydation = perte d'électrons, réduction = gain : ai-je vérifié dans quel sens vont les électrons ?
Y a-t-il un générateur dans le circuit ? C'est ce qui sépare l'électrolyse de la pile.
Ai-je converti la durée en secondes avant de calculer une énergie en joules ?
Ai-je nommé la conversion d'énergie dans le bon sens, avec les deux formes ?

Corrigé · à détacher

Piles, électrolyse et énergie chimique

1. Une pile est constituée de deux électrodes de nature différente — deux métaux, par exemple — plongées dans un électrolyte, une solution qui conduit le courant parce qu'elle contient des ions. C'est la différence entre les deux électrodes qui crée la tension : deux lames du même métal ne produisent rien.
2. Une pile en fonctionnement : deux électrodes différentes, un électrolyte, et un circuit extérieur qui referme le passage.
3. Une pile est un convertisseur d'énergie : elle transforme de l'énergie chimique, stockée dans ses réactifs, en énergie électrique transmise au circuit. Une partie part toujours en énergie thermique — la pile chauffe —, et c'est pourquoi le rendement n'atteint jamais 100 %.
4. Les deux lames métalliques sont les électrodes de la pile. Celle qui libère les électrons est la borne négative ; celle qui les reçoit est la borne positive. Le mot « négatif » ne signifie donc pas « moins important » : c'est là que part le courant d'électrons.
5. Dans le circuit extérieur, les électrons circulent de la borne − vers la borne +. Le courant électrique, lui, est conventionnellement orienté de la borne + vers la borne −. Les deux sens sont opposés, et les deux sont justes : la convention a été fixée avant la découverte de l'électron, et on ne l'a jamais changée.
6. Une oxydation est une perte d'électrons ; une réduction est un gain d'électrons. Les deux ne vont jamais l'une sans l'autre : les électrons perdus d'un côté sont exactement ceux qui sont gagnés de l'autre. Dans une pile, l'oxydation se produit à la borne − et la réduction à la borne +.
7. À la lame de zinc, borne négative : chaque atome de zinc perd deux électrons et passe en solution sous forme d'ion.
8. À la lame de cuivre, borne positive : des ions cuivre présents dans la solution captent ces électrons et se déposent sous forme de métal.
9. Conséquence observable, et c'est elle que le brevet demande : la lame de zinc maigrit, la lame de cuivre s'épaissit.
10. le zinc s'oxyde et se dissout, le cuivre se réduit et se dépose
11. Une électrolyse est une transformation chimique imposée par un générateur. Le sens de conversion est inversé : l'énergie électrique fournie provoque une transformation chimique qui ne se produirait pas spontanément. C'est l'exact contraire d'une pile, avec le même matériel — deux électrodes et un électrolyte.
12. Électrolyse de l'eau : pour un volume de dioxygène recueilli, on obtient deux volumes de dihydrogène.
13. L'eau se décompose en dihydrogène et en dioxygène.
14. Le contrôle des atomes : 4 hydrogènes de chaque côté, 2 oxygènes de chaque côté.
15. Les coefficients donnent directement les volumes de gaz recueillis : deux fois plus de dihydrogène que de dioxygène.
16. 2 H₂O → 2 H₂ + O₂, dans le rapport de volumes 2 pour 1
17. Chercher s'il y a un générateur dans le circuit, en plus des électrodes.
18. Sans générateur, le dispositif produit le courant : c'est une pile, et la conversion va du chimique vers l'électrique.
19. Avec un générateur qui impose le courant, le dispositif consomme de l'électricité : c'est une électrolyse, et la conversion va de l'électrique vers le chimique.
20. Nommer la conversion dans la conclusion, dans le bon sens — c'est ce qui est évalué, pas le vocabulaire.
21. Une pile n'est utilisable qu'une fois : sa transformation est irréversible. Un accumulateur peut être rechargé, parce que sa transformation se fait dans les deux sens. Une batterie est un assemblage de plusieurs piles ou accumulateurs, montés pour additionner leurs tensions ou leurs capacités.
22. La puissance électrique fournie est le produit de la tension par l'intensité ; elle s'exprime en watts. L'énergie transférée est le produit de cette puissance par la durée, en joules si la durée est en secondes.
23. $P = U \times I E = P \times t$
24. On calcule d'abord la puissance, en volts et en ampères :
25. La puissance vaut 0,9 W. On convertit la durée en secondes, sans quoi le résultat ne sera pas en joules :
26. On multiplie enfin la puissance par la durée :
27. 3 240 J, soit 0,9 Wh