Les piles - Terminale STI2D - Sciences Physiques

Les piles Le développement des biocarburants étudiés au chapitre précédent permet d’envisager une alternative à
l’utilisation du pétrole. Mais, il en existe d’autres, comme le développement de véhicules électriques. De
nombreux projets industriels basés sur cette technologie voient le jour. Ainsi, la
dameuse de demain sera équipée de piles à combustible, offrant une
puissance de 300 kW, et une autonomie de plus de 10 heures par jour.
Mais, comment l’électricité est-elle produite ? Comment embarquer dans les
véhicules une source d’énergie leur offrant une autonomie suffisante ?
L’objectif est de comprendre le fonctionnement général d’une pile, pour
ensuite étudier la pile à combustible et ses applications possibles dans le
Dameuse « propre » Aztec
transport.
(Chavanod)
ETAPE 1 : Petite histoire de la pile Document 1 : D’où vient le terme de « pile » ?
Extrait de l’article de La recherche 30/09/2008 par Marie-Christine de La Souchère (mensuel n°423)
Ce terme vient d'un empilement de rondelles de cuivre et de zinc, séparées par des disques de carton
imbibés de saumure. C'est au physicien italien Alessandro Volta que l'on doit cette invention qu'il présenta
comme une nouvelle source d'électricité au premier consul Bonaparte, en 1801. Le nom de cet inventeur est
resté et désigne désormais l'unité de tension électrique : le volt. Par son expérience, Volta mit fin à une
controverse sur l'origine de l'électricité qu'il entretenait avec l'anatomiste italien Luigi Galvani. Ce dernier
pensait avoir réalisé une source d'électricité d'origine animale. Pour preuve, en suspendant des cuisses de
grenouille fraîchement écorchées par un crochet de cuivre à la rambarde de fer d'un balcon, on pouvait
observer des tressaillements, témoins de la création d'un courant électrique qui sollicitait le nerf de
l'amphibien. Pour Volta, le courant naissait non pas de l'animal, mais du contact des métaux avec une
substance humide. Depuis, les piles ont évolué, mais la dénomination est restée pour désigner une source
autonome d'électricité qui transforme directement l'énergie libérée par une réaction chimique en énergie
électrique.
Figure 1. Expérience de Galvani. Figure 2. Pile de Volta. Document 2 : La « pile de Bagdad » : une pile électrique il y a deux milles ans ?
Extrait du site http://www.ampere.cnrs.fr/ Mythes et légendes de l’électricité et du magnétisme par
Marie-Hélène Wronecki, Christine Blondel et Bertrand Wolff.
Un mystérieux objet archéologique. En 1936, les fouilles archéologiques d'une
nécropole au sud-est de Bagdad mettent au jour une curieuse poterie, parmi plusieurs
centaines d'objets, verreries, figurines de terre, tablettes gravées, etc. que l'on peut
dater de la période parthe entre le premier siècle avant et le premier siècle après
Jésus-Christ. Il s'agit d'un petit vase de terre cuite, haut d'une quinzaine de
centimètres et fermé d'un bouchon de bitume, contenant un tube de cuivre à l'intérieur
duquel se trouvait une tige de fer, l'un et l'autre très corrodés. Lorsque l'archéologue
autrichien Wilhelm Koenig, directeur du musée de Bagdad, examine l'objet deux ans
plus tard, il émet l'idée que ce petit vase pourrait constituer une pile électrique si on
Reconstitution d’une verse une solution saline ou acide dans le tube de cuivre.
« pile » d’après Koenig. 1. A l’aide des deux documents précédents, décrire quels sont les constituants fondamentaux d’une pile et
leur rôle.
2. Pourquoi, selon vous, les tiges de fer et de cuivre sont-elles «très corrodées » ?
ETAPE 2 : Réalisation d’une pile Daniell Document 3 : Comment une pile produit-elle de l’électricité ?
Suite de l’article du document 1 extrait de La recherche 30/09/2008 par M-C de La Souchère
(n°423)
En faisant circuler des électrons. Une pile renferme un oxydant, espèce chimique capable de capter des
électrons et un réducteur, espèce capable de céder des électrons. S'ils étaient mis en contact, l'oxydant
capterait les électrons rejetés par le réducteur, dans une réaction chimique qui dégagerait de la chaleur mais
ne générerait pas de courant. Toute l'astuce de la pile consiste donc à empêcher le contact entre
l'oxydant et le réducteur, afin d'obliger le flux d'électrons à transiter par la lampe, le lecteur Mp3, le
portable... auquel la pile est connectée. Ce qui crée un courant. Cette séparation est réalisée par un
électrolyte, un gel ou un liquide conducteur que les électrons sont incapables de traverser. On appelle borne
négative ou anode la zone de la pile d'où partent les électrons et borne positive ou cathode, la zone où
les électrons arrivent. Le départ d'électrons de l'anode et leur arrivée à la cathode créent toutefois un
déséquilibre de charges. Pour rétablir l'équilibre, au sein de la pile, des ions négatifs, présents dans
l'électrolyte, migrent donc vers l'anode, tandis que des ions positifs migrent vers la cathode.
1. Réalisation de la pile MATERIEL A VOTRE DISPOSITION :
Vous disposez du matériel suivant :
- Un bécher contenant 100 mL de solution de sulfate de zinc (Zn2+, 𝑆𝑂!!! )
- Un bécher contenant 100 mL de solution de sulfate de cuivre (Cu2+, 𝑆𝑂!!! )
- Un pont salin rempli d’électrolyte (K+, Cl-)
- Une lame de zinc
- Une lame de cuivre
- Une résistance de 30 Ω
- Un multimètre et un ampèremètre à aiguille
- Câbles électriques
- Deux pinces « crocodile »
Remarque : Les solutions aqueuses ont la même concentration C0 = 0,1 mol.L-1.
1. A l’aide du document 3 et de la liste de matériel à votre disposition, compléter le schéma ci-dessous et le
protocole à réaliser pour fabriquer une pile Daniell.
2. Après vérification de votre protocole par le professeur, réaliser la pile.
Schéma à compléter :
Protocole à compléter:
- Plonger la lame de ……………… dans la solution de ………………………………………………….
- Plonger…………………………………………………………………………………………………………..
- Relier …………………………………………………...………………………………………………………..
2. Comment la pile fonctionne-­‐t-­‐elle ? 3. Brancher le voltmètre aux bornes de la pile. En déduire la polarité de la pile, puis indiquer la borne + et la
borne – sur le schéma. En vous aidant du document 3, situer l’anode et la cathode sur le schéma.
4. Relever la valeur de la tension à vide. Il s’agit de la force électromotrice de la pile. Elle représente le travail
que fournit la pile pour mettre en mouvement les charges. Son unité est le Volt.
5. En déduire le sens du courant électrique dans le circuit lorsque la pile est reliée à un conducteur ohmique
(circuit fermé). Indiquer alors le sens de « déplacement » des électrons.
6. Quels sont les deux couples oxydant/réducteur mis en jeu ?
7. Indiquer le nom de la réaction qui a lieu à l’anode. Argumenter. Ecrire la demi-équation électronique
correspondante.
8. Indiquer le nom de la réaction qui a lieu à la cathode. Argumenter. Ecrire la demi-équation électronique
correspondante.
9. En déduire quel élément est le réducteur et quel élément est l’oxydant.
10. Ecrire alors l’équation de la réaction modélisant la transformation chimique de cette pile.
11. Quelle conversion d’énergie se produit dans cette pile ?
12. Retirer le pont salin. Que se passe-t-il? Expliquer son rôle.
13. Après un certain temps de fonctionnement, comment évolue l’aspect de la solution de sulfate de cuivre ?
de l’électrode en cuivre ? de l’électrode en zinc ?
3. Quantité d’électricité disponible : 14. Brancher maintenant la résistance et l’ampèremètre à aiguille. Réaliser le schéma du montage.
15. Relever la valeur de l’intensité.
Vous présenterez votre mesure avec son incertitude liée à l’appareil de mesure.
Aide :
On présente le résultat d’une mesure sous la forme :
𝑔𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒𝑢𝑟 𝑚𝑒𝑠𝑢𝑟é𝑒 = 𝑣𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑙𝑢𝑒 ± 𝑖𝑛𝑐𝑒𝑟𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 𝑢𝑛𝑖𝑡é
L’incertitude absolue est donnée par le fabriquant de l’appareil de la manière suivante :
m = l ± (2% de l + 4 digit)
où m est la valeur mesurée, l la lecture de l’appareil. Le digit correspond à une unité du dernier chiffre de
droite.
Exemple de présentation correcte de mesure de tension si l=1,50V :
- incertitude = 2%x1,5 +4 digit
- le dernier chiffre est 0 donc on ajoute 0,04 à l’incertitude
- incertitude = 2%x1,5 +4 digit=0,03+0,04
On présente donc le résultat : m =1,50 ± 0,07 V
16. Quelle est la quantité de matière d’ions Cu2+ dans la solution de sulfate de cuivre ? (les solutions
aqueuses ont la même concentration C0 = 0,1 mol.L-1)
17. D’après les demi-réactions aux électrodes, combien de moles d’électrons sont échangés pour une mole
Cu2+ consommée?
18. Déduire des questions 16 et 17 le nombre de moles d’électrons qui peuvent être échangées, lors de
l’utilisation de la pile.
• La quantité d’électricité disponible dans une pile est la quantité maximale d’électrons pouvant circuler :
Q= ne.F
Q : quantité d’électricité disponible en coulombs (C) ou en Ah : 1 Ah = 3600 C
ne : quantité d’électrons pouvant être échangée dans la pile en moles (mol)
F : valeur absolue de la charge d’une mole d’électrons appelée Faraday : 1F= e.NA=9,65.104 C.mol-1
e : charge élémentaire (e=1,6.10-19 C)
NA : nombre d’Avogadro (NA = 6,02.1023 mol)
• La quantité d’électricité est également égale à : Q= I. t
I : intensité du courant en ampère (A)
t : temps de fonctionnement de la pile
19. En déduire la quantité d’électricité disponible Q dans la pile que vous avez fabriquée.
20. Calculer alors le temps de fonctionnement de la pile et l’incertitude associée.
DEVOIR MAISON : Les piles à combustibles Document 1 : La pile au méthanol
Extrait du site http://www.chimix.com
Une pile à combustible (PAC) est un assemblage de cellules élémentaires, comprenant deux électrodes
contenant un catalyseur (le plus souvent du platine), séparées par un électrolyte, dont le rôle est de permettre
la migration des ions d'une électrode à l'autre.
Le comburant est du dioxygène. Le combustible est le plus souvent du dihydrogène. Ce combustible
gazeux à température ambiante et inflammable, pose des problèmes de stockage.
Un autre combustible possible est le méthanol. Ce combustible est certes toxique, mais liquide à température
ambiante. Il est produit principalement à partir du gaz naturel. On se dispense ainsi du problème de stockage
du dihydrogène. Une telle pile à combustible est appelée DMFC (Direct Methanol Fuel Cells). L'électrolyte
utilisé est acide.
Couples mis en jeu : CO2(g) / CH3OH(aq)
Réaction se produisant à la cathode :
Réaction se produisant à l'anode :
O2(g)/H20(l)
O2(g) + 4H+(aq) + 4e- = 2 H2O(l).
CH3OH(aq) + H2O(l)= CO2(g) + 6H+(aq) + 6e-
Données : masse molaire du méthanol est : 32 g.mol-1, masse molaire du CO2 : 44 g.mol-1.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Quelle conversion d’énergie se produit dans une pile à combustible au méthanol ?
La réaction se produisant à l’anode est-elle une oxydation ou une réduction ? Justifier votre réponse.
La réaction se produisant à la cathode est-elle une oxydation ou une réduction ? Justifier votre réponse.
Indiquer la borne positive et la borne négative de la pile sur le schéma et préciser le sens du courant.
Quel est l’oxydant et quel est le réducteur ?
Etablir l’équation bilan de la réaction de fonctionnement de la pile, sachant que le nombre d’électrons cédés
lors de l’oxydation doit être égal au nombre d’électrons captés lors de la réduction.
7. D’après l’équation bilan, combien de moles de dioxyde de carbone produit-on pour une mole de méthanol
consommée ?
8. La masse volumique du méthanol est de 790 g.dm-3. Combien de moles de méthanol sont contenues dans
un litre de méthanol ?
9. En déduire le nombre de moles de dioxyde de carbone produites pour un litre de méthanol consommé.
10. Déterminer la masse de dioxyde de carbone produite lors de la consommation d’un litre de méthanol.
Document 2 : Une affaire propre : les piles à combustibles EFOY pour camping-cars
Extrait du site http://www.efoy.com/fr/vehicules-­‐de-­‐loisirs-­‐pile-­‐a-­‐combustible-­‐efoy.html La pile à combustible EFOY produit du courant à partir de méthanol. Le méthanol est un alcool qui se trouve
dans la nature (dans les arbres, les plantes de coton ou les huiles essentielles). Le méthanol est de plus en
plus extrait des matières premières régénératives comme des déchets organiques de la seconde génération.
Une contribution décisive est ainsi apportée au ménagement des ressources et à une production d’énergie qui
respecte l’environnement.
Si vous utilisez déjà une installation solaire sur votre camping-car, mais avez constaté qu’elle ne fournit
malgré tout pas suffisamment de courant, par exemple lorsque le temps est mauvais ou pendant les vacances
d’automne, la pile à combustible EFOY est alors la solution parfaite pour vous.
Cinq puissances EFOY pour tous les besoins : La pile à combustible EFOY pour l’alimentation électrique dans les camping-­‐cars est disponible en cinq puissances. 11. En utilisant le tableau ci-dessous, calculer la quantité d’électricité Q consommée par le camping-car en
une journée.
Poste de consommation
10 Led d’environ 20 mA chacune
Chauffage à air pulsé
Réfrigérateur
Un téléviseur de 50 W
Le démodulateur
L’éclairage 60 W
Pompe
L’antenne satellite
Le boiler (allumage chauffe-eau à gaz)
La chasse d’eau
Intensité
0,2 A
1,3 A
1,0 A
4,1 A
1,5 A
5,0 A
3,5 A
0,8 A
0,2 A
0,5 A
Temps d’utilisation sur une journée
24h
24h
24 h
3h
5h
5h
10 min
5 min
2 min
3 min
12. Quelle pile à combustible EFOY choisiriez-vous alors pour équiper votre camping-car ?
13. Quel volume de méthanol consommeriez-vous alors par jour en cas de fonctionnement continu?
14. En utilisant les résultats de la question 10, déterminer la masse de dioxyde de carbone produite par
jour.
15. Une voiture bénéficiant d’un bonus écologique de 200 € émet au maximum 105 grammes de dioxyde
de carbone pour 100 km parcourus. A combien de kilomètres parcourus avec ce type de véhicule
correspond l’émission journalière de dioxyde de carbone de la pile à combustible au méthanol ?