Rechercher, extraire, organiser des informations utiles de documents
télécharger 138.2 Kb.
|
Fiche professeur
TP. Comment Fonctionne une pile ? Type d’activité : étude documentaire suivie d’une activité expérimentale Conditions de mise en œuvre : Les élèves travaillent par binôme dans une salle de TP de chimie. Durée indicative : 2 h Pré- requis
Compétences transversales :
Mots clés de recherche : pile, accumulateur, pile à combustible, transfert d’énergie, oxydation, réduction, activité expérimentale Provenance : Académie de Strasbourg Adresse du site académique : http://www.ac-strasbourg.fr/disciplines/physchim Liste du matériel par binôme :
Sur la paillasse du professeur :
Activité expérimentale : Comment fonctionne une pile ? Objectifs :
But : A partir de l’expérience historique de Volta, comprendre le fonctionnement d’une pile et réaliser diverses piles afin d’en mesurer leur f.e.m.
Après avoir lu le document ci-dessous et regardé la vidéo http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/video/galvani/video/galvani.php, répondre aux questions : " La Pile ÉlectriqueA  u début de l'année 1800, habitait à CÔME un savant physicien, le Comte Alessandro VOLTA (1745-1827). Il était âgé de cinquante cinq ans.Après avoir été professeur à 1'université de PAVIE et fait plusieurs découvertes concernant l'ELECTRICITE STATIQUE il avait voyagé pour rencontrer d'autres savants. Il avait ainsi parcouru la SUISSE, la FRANCE, l'ALLEMAGNE, les PAYS-BAS et l'ANGLETERRE. Il venait de se retirer dans son pays natal afin de trouver le calme et poursuivre des expériences sur l'Électricité. A l'époque où vivait VOLTA la connaissance de l'électricité n'était pas encore très développée. D  epuis Deux Mille ans on savait attirer des brins de paille ou des feuilles d'arbre d'un faible poids avec des morceaux d'AMBRE JAUNE frottés sur un tissu de laine.L'Ambre jaune est une très belle pierre, presque transparente avec laquelle les anciens fabriquaient des bijoux. En GREC, Ambre Jaune se dit "ELECTRON". C'est l'origine du mot ELECTRICITE. Pour faire l'expérience, on peut aussi utiliser des baguettes de verre ou de cire à cacheter. A  partir de 1600, de nouveaux progrès avaient été accomplis et on faisait claquer des étincelles comparables, en beaucoup plus petit, à la foudre, en tournant la manivelle de l'un de ces curieux instruments appelé "MACHINE DE RAMSDEN".Les savants cherchaient à expliquer ces phénomènes et avaient fait des observations nombreuses et très intéressantes, mais l'électricité ne donnait lieu à aucune utilisation dans la vie de tous les jours. En ce temps, les lampes électriques n'existaient pas. On éclairait les maisons et les rues avec des chandelles ou des lampes à huile . Pas de moteurs électriques pour actionner les usines. Pas de trains. Les hommes devaient fournir de gros efforts musculaires pour travailler et se déplacer. Ils se faisaient aussi aider par les chevaux, les mulets ou les bœufs. Ils utilisaient également la force du vent et de l'eau des rivières pour faire tourner les moulins. Les machines à vapeur venaient d'être inventées, mais elles étaient très peu répandues. Pas de Téléphone, pas de Radio ni de Télévision. Les nouvelles étaient transmises par des messagers, les diligences de la poste ou par le TELEGRAPHE de Claude CHAPPE dont les ailes tournantes se voyaient en haut des tours ou des collines. D  onc au mois de Mars de cette année 1800, nous trouvons VOLTA dans son cabinet de physique. Sur une table sont déposées des pièces de monnaie en argent, des rondelles de ZINC, de CUIVRE et de Carton épais. Trois baguettes de bois sont dressées entre lesquelles le vieux savant superpose avec le plus grand soin, toujours dans le même ordre, une rondelle de cuivre, une rondelle de zinc puis une rondelle de carton très mouillé.Il en EMPILE ainsi plus de soixante. C'est la raison pour laquelle il avait donné le nom de PILE à cet étrange appareil qu'il avait imaginé quelques mois avant. En touchant avec les doigts et en même temps les extrémités de la colonne, il sentit à travers son corps une secousse désagréable … une secousse électrique ! Ayant fixé des fils métalliques aux rondelles du bas et du haut, il les approcha à une très faible distance. Aussitôt une petite étincelle bleue et très lumineuse jaillit. La pile produisait donc les mêmes effets que la Machine de RAMSDEN, mais les secousses et les étincelles pouvaient être renouvelées autant de fois qu'on le désirait sans qu'il soit nécessaire de tourner continuellement la manivelle. Le premier générateur de courant continu était né. Cependant, Volta ne sait pas encore que l'énergie électrique de la pile provient d'une transformation chimique des métaux et que sa durée de vie est limitée. M  ais comment un homme aussi sérieux que Alexandre VOLTA en était il venu à empiler des rondelles de Cuivre sur des rondelles de Zinc ?C'est une curieuse histoire ... une histoire de ... CUISSES DE GRENOUILLE ! Il faut remonter quinze années avant, en 1786 et à BOLOGNE, grande (Près de 500.000 habitants) et belle ville d'Italie du Nord (Entre Venise et Florence.). Son importante université fondée en 425 est la plus ancienne d'Europe. Un célèbre professeur d'anatomie de l'université de cette ville, Luigi Galvani (1737-1798), avait eu l'idée d'expérimenter les effets de l'étincelle électrique produite par la machine de RAMSDEN sur des cadavres d'animaux. Il avait observé que sous l'influence de la décharge, les cuisses d'une grenouille coupée en deux se rapprochaient brusquement. La bête semblait reprendre vie, comme pour sauter. Un autre jour, alors qu'il disséquait à nouveau une grenouille il constata une contraction de ses cuisses bien qu'aucune machine électrique ne fonctionnât aux alentours. Il suffisait qu'une tige métallique soit en contact entre l'un des nerfs lombaires (bas de la colonne vertébrale) de l'animal et le muscle de ses cuisses. L'expérience de GALVANI fut renouvelée avec encore plus de succès en utilisant un genre de Compas, formé d'un arc en cuivre et d'un autre en Zinc. GALVANI essaya d'expliquer le phénomène et conclut à l'existence d'une Électricité animale. VOLTA, alors qu'il était à Côme entendit parler de l'expérience. Il s'y intéressa, travailla dans son laboratoire, mais aboutit à d'autres conclusions. Pour lui, deux métaux différents mis en contact produisaient de l'électricité. Elle était la cause des réactions de la grenouille. C'est pour le prouver qu'il commença à imaginer des appareils composés de plaques de métaux très divers et finit par construire la PILE que nous avons déjà vue. VOLTA et GALVANI n'étaient pas d'accord et ils discutèrent avec passion pendant plusieurs années. Chacun détenait une part de vérité, mais l'un et l'autre n'avaient pas encore pu tout comprendre. Nous devons à leur esprit d'observation, à leur travail, à leur patience, à leur intelligence la découverte d'un instrument merveilleux. La PILE fit faire des pas de géants à la SCIENCE et à l'Industrie. " Extrait d'un texte de Michel Siméon Questions :
Matériel : On dispose de :
Mode opératoire : Réaliser les différents empilements de 3 éléments proposés dans le tableau ci-dessous et mesurer à chaque fois la tension entre les 2 plaques externes. Compléter le tableau.
Interprétation : Quels éléments semblent nécessaires à la constitution d'une pile ?
Considérons le système constitué des espèces chimiques des couples oxydant/réducteur Zn2+(aq) / Zn(s) et Cu2+(aq) /Cu(s).
 Observations : Interprétation :
Conclusion :Il y a un ……………………………….……………………………………..……………………………… entre …………………………et …………………..
- les électrons circulent de la borne ………….. à la borne …………… de la pile.
Observations : Conclusion : Ce dispositif expérimental est une …………………………………………………………………. appelée :…………………………………… Cette pile est constituée de deux ………………..……………………………………… reliées entre elles par un …………………… Chaque demi pile contient l'………………………………………… et le …………………………………………….. d'un couple oxydant/réducteur : * demi pile de gauche : couple …………………………… * demi pile de droite : couple …………………………….
UPN = ……………………………..
- indiquer la position de la borne V et COM du voltmètre -localiser les bornes + et – de la pile - indiquer le sens de circulation des électrons
L’expérience montre que dans cette pile, la borne + correspond à la lame de ………………………… et la borne – est la lame de ……………………. Si l’on considère l’extérieur du circuit, des électrons sortent donc de la lame de ………………….. et pénètrent dans la lame de ……………………….. Réaction aux électrodes : A la borne + : l’électrode de cuivre ………………………………………. des électrons, il s'y produit une …………………………….… Les ions Cu2+ sont …………………………………………en …………………………………. qui se déposent sur l’électrode selon la demi équation d’oxydoréduction : ……………………………………………………………… A la borne - : l’électrode de zinc ……………………………….. des électrons, il se passe une …………………………….………….. Les atomes de zinc de l'électrode sont …………………..……………….. en …………………………………… qui passent dans la solution selon la demi équation d’oxydoréduction: ……………………………………………………………… Il y a donc un ………………………………………………… d'…………………………………………………. entre ………….………………………………….. et ………………..…………………………………………. qui se fait par l'intermédiaire du circuit extérieur. C'est donc un transfert …………………………………………… d'électrons entre ………………………………….…………………… et ……………………….………………………. qui correspond à une réaction ………………………………………………………………..… , dont l’équation est : ……………………………………………………………………. Remarques :
Expliquer comment cela est possible.
Conclusion : A
Eléments de correction
Considérons le système constitué des espèces chimiques des couples oxydant/réducteur Zn2+(aq) / Zn(s) et Cu2+(aq) /Cu(s).
Observations : Dépôt rouge de cuivre sur la lame de zinc Interprétation :
Zn(s) = Zn2+(aq) + 2e- oxydation de Zn (perte d’e-) Cu2+(aq) + 2e- = Cu(s) réduction de Cu2+ (gain d’e-)
Zn
Cu2+
A la surface de la lame de zinc Conclusion :Il y a un transfert direct d’électrons entre Zn et Cu2+
- les électrons circulent de la borne - à la borne + de la pile.
 Observations : Lorsqu’on relie les 2 béchers avec le pont salin, l’ampèremètre indique une intensité donc du courant circule dans le circuit Conclusion : Ce dispositif expérimental est une pile électrochilique appelée : pile Daniell Cette pile est constituée de deux demis piles reliées entre elles par un pont salin. Chaque demi pile contient l'oxydant et le réducteur d'un couple oxydant/réducteur : * demi pile de gauche : couple Zn2+(aq) / Zn(s) * demi pile de droite : couple Cu2+(aq) /Cu(s)
UPN = ……………………………..
 Com V - +   e-
- indiquer la position de la borne V et COM du voltmètre -localiser les bornes + et – de la pile - indiquer le sens de circulation des électrons
L’expérience montre que dans cette pile, la borne + correspond à la lame de cuivre et la borne – est la lame de zinc Si l’on considère l’extérieur du circuit, des électrons sortent donc de la lame de zinc et pénètrent dans la lame de cuivre Réaction aux électrodes : A la borne + : l’électrode de cuivre « accueille » des électrons, il s'y produit une réduction Les ions Cu2+ sont réduits en Cu qui se déposent sur l’électrode selon la demi équation d’oxydoréduction : Cu2+(aq) + 2e- = Cu(s) A la borne - : l’électrode de zinc perd des électrons, il se passe une oxydation Les atomes de zinc de l'électrode sont oxydés en ions Zn2+ qui passent dans la solution selon la demi équation d’oxydoréduction: Zn(s) = Zn2+(aq) + 2e- Il y a donc un transfert d'électrons entre la lame de zinc et les ions Cu2+qui se fait par l'intermédiaire du circuit extérieur. C'est donc un transfert indirect d'électrons entre la lame de zinc et les ions Cu2+qui correspond à une réaction d’oxydoréduction , dont l’équation est : Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) Remarques :
La plaque de zinc voit sa masse diminuer La plaque de cuivre voit sa masse augmenter
La quanité d’ions Cu2+ diminue et celle de Zn2+ augmente.
Expliquer comment cela est possible. Comme la quantité d’ions Cu2+ diminue dans le bécher de droite, le pont salin les remplace par des ions potassium K+. Dans l’autre bécher, la quantité d’ions Zn2+ augmente donc il va manquer des ions négatifs donc le pont salin va apporter des ions négatifs NO3- Ainsi le pont salin maintient l’électroneutralité des solutions.
La pile ne débite plus de courant car il n’y a plus d’ions Cu2+ et/ou de Zn
Conclusion : A la borne +, il y a toujours une réduction et à la borne – une oxydation A
|
' expérience de Volta
