Piles et accumulateur : doc prof

T4 - Pourquoi eteindre ses phares
QUAND LE MOTEUR EST ARRETE ?
|Capacités |Connaissances |Exemples d'activités |
|Réaliser une pile et mesurer|Connaître le principe d'une|Fabrication d'une pile |
|la tension aux bornes de |pile. |Daniell. |
|cette pile. |Connaître le principe d'un |Réalisation d'une pile au |
|Distinguer pile et |accumulateur. |citron. |
|accumulateur. | |Recherche historique sur |
| | |Volta. | 1. Analyse de la problématique - « Ce que je sais » . Quel type énergie est nécessaire au fonctionnement des phares d'un
véhicule ? L'énergie électrique.
. D'où provient cette énergie ? De la batterie du véhicule.
. Que se passe-t-il sur la durée si on laisse trop longtemps les
phares d'un véhicule allumés alors que le moteur est éteint ? La
batterie se décharge, les phares d'éteigne. Le véhicule ne peut
plus démarrer.
. Quel est l'effet du moteur en fonctionnement sur la batterie ? Le
moteur, lorsqu'il fonctionne, recharge la batterie ou la maintient
chargée.
. Pourrait-on remplacer dans un véhicule la batterie par une grosse
pile ? Justifier votre réponse. Non. Une pile, contrairement à une
batterie, ne se recharge pas. 2. Principes de fonctionnement des piles et des batteries a. Comment fonctionne une pile ?
Activité expérimentale : Matériel :
Deux électrodes composées d'une plaque de cuivre et d'une plaque de zinc.
Une solution de sulfate de cuivre - Un bêcher
Un ampèremètre. Mode opératoire :
- On place les deux électrodes reliées chacune aux bornes d'un
ampèremètre : L'électrode de cuivre reliée à la borne (mA) et
l'électrode de zinc reliée à la borne Com.
- On place les deux électrodes dans le bêcher contenant la solution de
sulfate de cuivre.
Observations : > Qu'indique l'ampèremètre ? L'ampèremètre mesure une intensité positive et
croissante. > Que peut-on en déduire ? Il y apparition d'un courant électrique. > Quelle électrode porte la borne (+) ? Celle du cuivre. Quelle électrode
porte la borne (-) ? Celle du zinc. > Quel est le sens de circulation des électrons ? De la borne « - » (zinc)
vers la borne « + » (cuivre). > Que remarque-t-on sur la couleur de la solution de sulfate de cuivre au
cours du temps ? Elle se décolore. Interprétations : o Le courant électrique naît des électrons, eux-mêmes issus de
l'oxydation du zinc ; Le cuivre de l'électrode n'étant pas oxydé
par la solution de sulfate de cuivre.
o En effet les atomes de zinc (Zn) sont oxydés par les ions cuivre
(Cu2+) d'après la règle du gamma.
o La demi-équation du zinc de la réaction est : Zn ( Zn2+ + 2e-
o La plaque de zinc se dégrade (s'use) au fil du temps.
o Les électrons circulant dans le circuit, s'accumulent sur
l'électrode de cuivre et attirent les ions (Cu2+).
o Ces mêmes ions consomment les électrons et se réduisent en métal
cuivre (Cu), se déposant ainsi sur l'électrode de cuivre.
o La demi-équation du cuivre de la réaction est : Cu2+ + 2e- ( Cu
o Au fil du temps les ions cuivre (Cu2+) disparaissent, la solution
initialement bleue se décolore.
On retiendra :
. Le transfert d'électrons est spontané et se fait par le circuit
extérieur à l'ensemble « électrodes et solution ».
. A l'intérieur de l'ensemble, le passage du courant est dû à la
migration des ions dans la solution : Il n'y a pas de migration
d'électrons.
. L'anode (« électrode négative ») s'use jusqu'à sa dégradation
totale.
. L'anode, complètement usée, stoppe la réaction : Il n'y a plus de
circulation d'électrons, il n'y a plus de courant électrique : La
réaction étant irréversible. Cet ensemble constitue alors une
« pile ». Remarque :
Que doit-on observer si l'on remplace l'électrode de cuivre par une autre
électrode de zinc ? ou bien si l'on remplace les deux électrodes par deux
électrodes en fer ?
> On doit observer une absence de courant électrique car deux
électrodes constituées du même métal serait toutes deux oxydées et
libérerait des électrons dans le circuit, chacune dans des sens
opposés ; ne créant pas une différence de charge (+) et (-). On retiendra :
Les éléments nécessaires à la production de l'électricité sont :
. Deux lames métalliques de nature différentes en contact avec
. Une solution composée d'ions (solution ionique), appelée
« électrolyte ».
Cet ensemble forme une « pile ».
Illustration vidéo :
http://www.lesite.tv/index.cfm?nr=2&f=0435.0107.00&motclef=pile
b. Comment fonctionne un accumulateur ?
Activité expérimentale : Matériel :
Deux électrodes composées de deux plaques d'acier. Un bêcher.
Une solution d'eau salée.
Un générateur de courant continu 6V. Des fils conducteurs.
Deux interrupteurs nommés K1 et K2. Deux multimètres. Mode opératoire :
Etape 1 :
- Construire le montage ci-contre. K1 est fermé et K2 est ouvert.
- Relever la valeur de l'ampèremètre (calibre A). ........ mA
- Observer la valeur du voltmètre. .......... V
Etape 2 :
- Simultanément ouvrir K1 et fermer K2 et attendre 3 min.
- Relever la valeur de l'ampèremètre (calibre mA). ...... mA
- Relever la valeur du voltmètre. .......... V
Etape 3 :
- Simultanément ouvrir K2 et fermer K1.
- Observer la valeur de l'ampèremètre (calibre mA).
- Observer la valeur du voltmètre.
Observations : > Qu'observe-t-on dans l'étape n°1 ? L'ampèremètre mesure une intensité
faible (presque nulle). > Qu'observe-t-on dans l'étape n°2 ? L'ampèremètre mesure une intensité de
..... mA donc constante positive (« non négligeable »). > Qu'observe-t-on dans l'étape n°3 ? L'ampèremètre mesure une intensité
négative qui décroît au cours du temps jusqu'à devenir nulle. Interprétations : o Etape n°1 : Comment justifier la valeur de l'ampèremètre ?
( Les électrodes étant de même nature, il n'y pas de courant
électrique.
o Etape n°2 : Comment justifier la valeur de l'ampèremètre ?
( Le générateur G débite un courant, des réactions chimiques se
produisent :
- L'anode B (-) accumule des électrons, consommés (« récupérés »)
par les ions de la solutions.
- La cathode A (+) s'oxyde. Le zinc de l'électrode se dégrade pour
former des ions Zn2+ permettant le passage du courant
électrique.
o Etape n°3 : Comment justifier la valeur de l'ampèremètre ?
( Un courant électrique est mis en évidence dans un sens opposé à
celui observé dans l'étape 2. L'ensemble « électrodes et solution »
joue le rôle d'un générateur en se comportant comme une pile au
cours de sa décharge : Les électrons accumulés à l'anode B se
déplacent, par les fils conducteurs, vers la cathode A. La réaction
est spontanée.
Activité expérimentale (suite) :
o Que suggérez-vous pour « recharger » l'accumulateur ? Vérifier
votre hypothèse.
( Reproduire l'étape n°2.
o Comparer les valeurs de la tension à la charge et celle à la
décharge.
( La tension à la charge est supérieure de celle à la décharge.
o Que constate-t-on si on tente de recharger l'accumulateur avec une
tension de type alternative ?
( L'accumulateur ne se recharge pas. On retiendra :
. L'association de deux électrodes de même nature dans une solution
ionique constitue un « accumulateur ».
. Naturellement, il ne fournit pas de courant électrique ; il faut
« forcer » la dissymétrie de charge entre les électrodes grâce à un
générateur.
. Lors de la décharge, il fonctionne comme une pile et la dissymétrie
s'atténue au cours du temps. Lorsque les électrodes redeviennent
symétriques, il faut recharger l'accumulateur. Les réactions sont donc
réversibles.
. La tension à la charge est toujours supérieure de celle à la décharge.
. La recharge de l'accumulateur n'est possible qu'avec un générateur
délivrant une tension continue. c. Conclusion : « Différence entre pile et accumulateur »
. Dans une pile, les réactifs chimiques sont introduits à la
fabrication. Quand ils sont épuisés, on doit remplacer la pile par
une neuve. Une pile ne peut être rechargée. Le terme « pile
rechargeable » est uniquement commercial.
. Un accumulateur est un dispositif destiné à stocker l'énergie
électrique et à la restituer ultérieurement. Il peut être rechargé.
. Les piles et les accumulateurs sont des déchets à traiter avec
précaution et ne doivent ainsi pas être jetés à la poubelle. Ils
contiennent des métaux (nickel, cadmium, mercure, plomb, lithium,
...) dont certains sont toxiques et dangereux pour le milieu
aquatique. Ils ne sont pas biodégradables.
3. Comment est constituée une pile du commerce ?
Une pile du commerce bien connue : la pile AA ou LR6 Aspect extérieur Coupe transversale
a. De quels matériaux sont constituées les 2 électrodes ?