Approche de l'énergie chimique : une pile électrochimique - Physique Chimie - 3ème

Approche de l'énergie chimique : une pile électrochimique - Physique Chimie - 3ème

Voici une fiche de cours de physique chimie de troisième sur une approche de l'énergie chimique : une pile électrochimique.

Dans cette leçon de physique chimie, vous commencerez par voir quels sont les constituants d'une pile. Puis vous verrez comment fonctionne une pile, principalement à travers différents schémas.

Téléchargez ci-dessous cette fiche de physique chimie sur l'énergie chimique : la pile électrochimique.

Approche de l'énergie chimique : une pile électrochimique - Physique Chimie - 3ème

Le contenu du document


 

Présentation : Les prérequis de cette fiche traitant de la pile électromagnétique sont les définitions de transformation chimique et transformation physique, les tests d’identification d’ions et la notion de conductivité des solutions ioniques.

Cette fiche permet de connaître les constituants d’une pile et comprendre le fonctionnement d’une pile ainsi que de savoir interpréter la conversion d’énergie chimique en énergie thermique. Applications possibles au brevet : les piles électrochimiques.

Objectifs :

 

  • Savoir que l’énergie électrique produite par une pile, provient d’une réaction chimique
  • Savoir interpréter le transfert de l’énergie chimique en énergie thermique, 

 

 

Quels sont les constituants d’une pile ?

Une pile est constituée de deux matériaux conducteurs différents que l’on nomme « électrodes ». Ces deux électrodes sous forme de lames métalliques sont plongées dans une solution conductrice que l’on nomme électrolyte. Cette solution conductrice est une solution ionique constituée donc d’ions. 

En réalisant ce montage, il apparaît une tension entre les deux électrodes, que l’on peut mesurer grâce à un voltmètre.

Schéma d’une pile électrochimique 

Schéma pile électrochimique

La pile électrochimique, le circuit électrique 

Dans le circuit électrique d’une pile électrochimique, les électrons dans les fils métalliques extérieurs au montage de la pile vont assurer la conduction électrique dans le circuit électrique.

Rappels : Les électrons circulent dans le sens inverse du courant électrique.

Les ions présents dans l’électrolyte assurent également la conduction électrique dans le circuit électrique.

Rappels : Les ions positifs (cations) circulent dans le sens du courant électrique et vont donc vers l’électrode négative de la pile électrochimique. Les ions négatifs (anions) circulent dans le sens inverse du courant électrique et vont vers l’électrode positive de la pile électrochimique.

Une pile du commerce, est, elle, constituée d’une tige de graphique et d’une enveloppe en zinc. Cette tige et cette enveloppe constituent les électrodes. Elles sont en contact avec un électrolyte.

 

Comprendre comment fonctionne une pile ?

Energie thermique libérée par une transformation chimique

Rappels :

Transformation chimique : transformation lors de laquelle les molécules à l’état final sont différentes de celles de l’état initial.

Transformation physique : transformation lors de laquelle les molécules à l’état final sont identiques de celles de l’état initial.

Lorsque que l’on met une lame de zinc et une lame de cuivre en contact avec une solution de sulfate de cuivre II, plusieurs phénomènes sont observables et nous allons les détailler ici :

 

  • La solution de sulfate de cuivre II de couleur bleue se décolore car les ions cuivre II Cu2+ responsables de la couleur bleue de la solution de sulfate de cuivre, disparaissent.
  • Il apparaît un dépôt de couleur rouge foncé sur la lame de cuivre, ce sont des atomes de cuivre Cu qui se déposent sur la lame de cuivre.
  • La lame de zinc s’amincit, les atomes de zinc Zn disparaissent.
  • On observe une augmentation de la température. La transformation chimique produit donc une énergie thermique.
  • En réalisant un test d’identification d’ions avec une solution d’hydroxyde de sodium, on observe l’apparition d’un précipité blanc qui indique l’apparition d’ions zinc II Zn2+.

 

Grâce à ces observations nous pouvons conclure que les espèces chimiques de l’état final sont différentes de celles de l’état initial car des espèces chimiques apparaissent et d’autres disparaissent. Il s’agit donc bien d’une transformation chimique.

Le dégagement de chaleur indique que l’énergie chimique de cette transformation chimique est convertie en énergie thermique.

Bilan de la transformation chimique 

Lors de cette transformation entre la lame de zinc et une solution de sulfate de cuivre II, les ions cuivre II Cu2+ de la solution de sulfate de cuivre (II) se sont transformés en atome de cuivre Cu. Les atomes de zinc Zn de la lame de zinc ce sont transformés en ions zinc II Zn2+.

Schéma de la pile électrochimique à l’état initial 

Schéma pile électrochimique état initial

Schéma de la pile électrochimique à l’état final 

Schéma pile électrochimique état final

Energie électrique libérée par une transformation chimique

Comme nous l’avons dit précédemment, nous pouvons mesurer une tension entre les deux lames métalliques à l’aide d’un voltmètre.

En effet, une partie de l’énergie chimique des réactifs est convertie en énergie thermique comme nous l’avons déjà vu, mais aussi en énergie électrique.

Ces conversions d’énergies mais surtout la consommation des réactifs de la pile électrochimique use la pile.

Fin de l'extrait

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