Chapitre 7 - Notion d`énergie chimique : Les piles

Chapitre 7 - Notion d’énergie chimique : Les piles
On a étudié ensembles plusieurs exemples de transformations chimiques : Combustions, acide chlorhydrique et fer,
précipités créés par les tests des ions. Certaines transformations chimiques peuvent avoir des effets inattendus. Je
vais vous proposer une transformation chimique dont on va étudier la température.
I. Effets thermiques de la réaction entre le zinc et les ions cuivre (II)
1) Expérience :
Tavant = 21°C
poudre de zinc
Taprès = 48,2°C
Thermomètre
→
→
solution de
sulfate de
cuivre (II)
solution
obtenue
2) Observations
La température de la solution augmente.
La coloration de la solution de sulfate de cuivre disparaît. (Donc les ions cuivre (II) disparaissent.)
Il y a de plus formation de cuivre solide Cu et d’ions zinc (II) Zn2+.
3) Interprétations
a) Il y a transformation chimique : Le zinc a réagi avec les ions cuivre (II) pour former du cuivre (dépôt rougeâtre), et
des ions zinc (II) Zn2+.
Réactifs : Zinc Zn, ions cuivre (II) Cu2+ dans une solution de sulfate de cuivre (II)
Produits : Cuivre Cu, ions zinc (II) Zn2+ dans une solution de sulfate de zinc (II)
Le bilan de cette transformation chimique est :
zinc + solution de sulfate de cuivre (II) → cuivre + solution de sulfate de zinc (II)
Vous verrez plus tard que ça s’écrit : Zn(s) + Cu2+(aq) → Cu(s) + Zn2+(aq)
Que s’est-il passé?
Il y a eu transfert d’électrons.
Au cours de cette transformation chimique, il y a eu échange d’électrons. L’atome de zinc est devenu un ion zinc, l’ion
cuivre (II) un atome de cuivre.
b) La transformations chimique a libéré de l’énergie sous forme de chaleur.
4) Notion d’énergie chimique
D’où vient cette énergie? De ce qu’on a mélangé, id est atomes et ions. Qu’est-ce qui l’a libérée ? La transformation.
Comment appelle-t-on cette énergie : Energie thermique = chaleur. Energie électrique = courant et tension. Energie
dans les solutions et les atomes = Energie chimique!!
Les atomes de zinc et les ions de la solution de sulfate de cuivre (II) possèdent une énergie appelée énergie chimique.
Ils la « stockent » jusqu’à ce qu’une transformation chimique en libère une partie. (Les produits en gardent un peu.)
Ici, l’énergie est libérée sous forme de chaleur. Sous quelle autre forme pourrait-elle être libérée? ... Electrique? Est-ce
possible? Pourrait-on la récupérer?
Il y a eu TRANSFERT d’ELECTRONS, peut-on obliger ce transfert à créer un courant électrique (dû aux électrons dans
les métaux et aux ions dans les solutions).
Pour cela, il faudrait éloigner les réactifs.
II. Constitution et fonctionnement d’une pile électrochimique
1) Réalisation d’une pile Daniell
A
Observations :
On mesure I = 0,1 mA
Il y a décoloration de la solution de sulfate de
cuivre (disparition des ions cuivre (II)) et dépôt
Lame de
de cuivre sur la lame de cuivre.
zinc
Il y a disparition progressive de la lame de zinc.
A
COM
Lame de
cuivre
Les lames de métal sont appelées électrodes.
Solution de
Les solutions utilisées pour conduire le
sulfate de zinc (II) courant sont appelées électrolytes.
(Les électrolytes contiennent donc des ions.)
Solution de sulfate
de cuivre (II)
papier filtre imbibé d’eau salée
(ions Na+ et Cl-) pour conduire le
couant
2) Fonctionnement de la pile Daniell
I
A
cuivre
+
COM
A
zinc
-
électrons
libres
électrons
libres
électrons
libres
Na+
2 électrons
2+
Cu
Cu
u
Cu2+
SO42-
Cl-
2 électrons
2+
Zn
Zn2+
SO42-
Zn
Légende :
Cu : Atome de cuivre (solide)
Zn : Atome de Zinc (solide)
Cu2+ : ion cuivre (II)
Zn2+ : ion zinc
SO42- : ion sulfate
Na+ : ion sodium
Cl- : ion chlorure
Interprétation : La transformation chimique étudiée en I se produit toujours :
zinc + solution de sulfate de cuivre (II) → cuivre + solution de sulfate de zinc (II)
Elle permet le passage d’un courant électrique dans la résistance (grâce au transfert d’électrons
mis en jeu entre le zinc et les ions cuivre (II)).
3) Bilan énergétique
La pile est un réservoir d’énergie chimique. (Ici, cette énergie est stockée dans les atomes de zinc et les ions de la
solution de sulfate de cuivre (II).)
Lorsqu’elle fonctionne, une partie de cette énergie est transférée au circuit sous forme d’énergie électrique (ce qu’on
voulait), une autre partie est libérée (perdue) sous forme d’énergie thermique (chaleur).
On ne peut jamais tout transférer, il y a toujours des pertes de chaleur.
4) Usure de la pile
Quand a lieu le transfert d’énergie?
Le transfert d’énergie provient de la transformation chimique qui a lieu dans la pile.
Qu’est-ce qui se passe au cours d’une transformation chimique?
Lorsqu’on utilise la pile, les réactifs disparaissent progressivement (sont « consommés ») : cela entraîne l’usure de la
pile. Si l’un des réactifs disparaît complètement, la pile ne peut plus fonctionner.
Toute l’énergie chimique stockée qu’on pouvait utiliser a alors été transférée.
Pour « recharger » la pile, il faudrait être capable de retransformer le cuivre en ions Cu2+, et les ions Zn2+ en zinc
solide. C’est possible, avec ce que l’on appelle un accumulateur (d’énergie) ou « pile rechargeable ».
Comment fait-on? On oblige un courant électrique à passer dans l’AUTRE SENS!