Activité 1 du chapitre 13 : Réalisation et fonctionnement d’une pile








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date de publication13.04.2017
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Activité 1 du chapitre 13 : Réalisation et fonctionnement d’une pile

I) PROBLÉMATIQUE

Une pile est une réserve d’énergie chimique. Une pile convertie une partie de cette énergie chimique en énergie électrique.

Comment réaliser une pile et quel est son principe de fonctionnement?

II) DOCUMENTS

Document 1 : connexion d’un voltmètre à une pile

  • Si la borne « V » du voltmètre est reliée à la borne (-) de la pile et la borne « COM » à la borne (+), un signe – s’affiche sur l’écran du voltmètre.

  • Si on inverse les branchements, le signe – disparaît. Il est ainsi possible d’identifier les bornes d’une pile ou d’un générateur.

D’après Physique Chimie 4ème Collection Durandeau aux éditions Hachette

Document 2 : Connexion d’un ampèremètre

  • Si le courant électrique rentre par la borne « 10A » ou « mA » de l’ampèremètre et sort par sa borne « COM » alors l’ampèremètre affiche une valeur positive pour l’intensité du courant.

  • Si le courant électrique rentre par la borne « COM » de l’ampèremètre et sort par sa borne « 10A » ou « mA » alors l’ampèremètre affiche un signe -.

Document 3 : sens conventionnel du courant électrique, sens des électrons

  • Dans un circuit électrique fermé, par convention, le courant électrique circule, à l’extérieur du générateur, de la borne + à la borne – du générateur.

  • Dans un métal, le courant électrique est un déplacement d’électrons. Ce déplacement a lieu dans le sens opposé au sens conventionnel du courant.

  • Dans une solution, le courant électrique est un double déplacement d’ions (les cations dans le sens conventionnel du courant, les anions en sens inverse).

Document 4 : tests caractéristiques d’ions

Voir document annexe « liste des ions à connaitre et tests de reconnaissance »

III) TRAVAIL À RÉALISER

Partie A : Action des ions cuivre II (Cu2+) sur le fer métallique (Fe)

Expérience 1

1. Plonger une lame de fer métallique (Fe) fraichement décapée dans une solution concentrée de sulfate de cuivre (Cu2+(aq) + SO42-(aq)). Après une minute sortir la lame de fer de la solution.

2. Sur votre compte rendu, réaliser un schéma de l’expérience et noter vos observations.

Expérience 2

1. Introduire une spatule de fer métallique dans le fond d’un tube à essai.2.

2. Introduire dans le tube à essai environ 3 mL d’une solution de sulfate de cuivre bleue (0,01 mol.L-1)

3. Boucher le tube et agiter. Laisser décanter.

4. Filtrer sur dispositif de filtration simple le contenu du tube à essai. Récupérer le filtrat dans un nouveau tube à essai.

5. Observer le filtrat. Introduire dans le filtrat quelques gouttes d’une solution de soude (hydroxyde de sodium Na+(aq) + HO-(aq) ). Observer.

6. Sur votre compte rendu, réaliser un schéma de l’expérience et noter vos observations.

Exploitation des expériences 1 et 2

1. Lors de l’action des ions cuivres II (Cu2+) sur le fer métallique quelles espèces chimiques ont été consommées et quelles espèces chimiques ont été formées (justifier à l’aide de vos observations).

2. Écrire l’équation de la réaction chimique qui a lieu entre les ions cuivre II et le fer métallique, en respectant les lois de conservation des éléments et de la charge électrique.

3. Lors de la réaction l’élément cuivre a-t-il capté ou cédé des électrons ? On dit que le cuivre a été réduit.

4. Lors de la réaction l’élément fer a-t-il capté ou cédé des électrons ? On dit que l’élément fer a été oxydé.

5. La réaction qui se produit est appelée réaction d’oxydoréduction. Lors de cette réaction d’oxydoréduction, quel type de particules a été directement échangé entre le fer métallique et les ions cuivre II ?

Partie B : Réalisation et fonctionnement de la pile Fer/Cuivre

Principe de fonctionnement :

Dans la réaction d’oxydoréduction entre les ions cuivres Cu2+ et le fer métallique Fe étudiée précédemment le transfert d’électrons entre Cu2+ et Fe est un transfert direct car lors de celui-ci le fer métallique et les ions cuivre sont en « contact ».



Comme on le verra par la suite, une pile Fer/Cuivre en fonctionnement est aussi le siège d’une réaction d’oxydoréduction entre les ions cuivre Cu2+ et le fer métallique Fe mais dans ce cas le transfert d’électrons entre Fe et Cu2+ n’est pas un transfert direct, il s’effectue, a l’extérieur de la pile, par l’intermédiaire de fils électriques (transfert indirect).

1. Dans un bécher A, introduire 75 mL d’une solution de sulfate de cuivre (II), Cu2+(aq) + SO42-(aq), de concentration molaire apportée C = 0.10 mol.L-1 et une plaque de cuivre métallique décapée munie d’une pince crocodile.

2. Dans un bécher B, introduire 75 mL d’une solution de sulfate de fer, Fe2+ (aq) + SO42-(aq), de concentration molaire apportée C’ = 0,10 mol.L-1 et une plaque de fer métallique décapée munie d’une pince crocodile.

3. Plonger l’extrémité d’une bande de papier filtre imbibée d’une solution de nitrate de potassium (pont salin), K+(aq) + NO3- (aq), dans la solution du bécher A et l’autre extrémité dans la solution du bécher B.

4. Á l’aide d’un voltmètre mesurer la tension E (E>0) aux bornes de la pile ainsi constituée. E est appelée force électromotrice (fém) de la pile.

E = ……………….

5. Identifier les bornes positives et négatives de cette pile.

6. Remplacer le voltmètre par une résistance (10 ) branchée en série avec un ampèremètre comme indiqué sur le schéma ci-dessous.


Extérieur de la pile

Intérieur de la pile


7. Quelle est la valeur de l’intensité mesurée ? Quel est son signe ? En déduire le sens du courant électrique dans les fils de connexion ? Ce sens est-il conforme à la polarité de la pile établie au 5.

8. Quels sont les porteurs de charges responsables du passage du courant électrique à l’extérieur de la pile ? Dans quel sens se déplacent-ils ?

9. Quels sont les porteurs de charges responsables du passage du courant électrique à l’intérieur de la pile (solutions et pont salin) ?

10. Á l’aide d’un schéma (reprendre le schéma de la question 6) :

  • Indiquer le sens du courant et le sens de déplacement des porteurs de charge à l’extérieur de la pile ;

  • décrire ce qui se passe au niveau de la plaque de cuivre ;

  • décrire ce qui se passe au niveau de la plaque de fer ;

  • décrire ce qui se passe au niveau du pont salin (K+(aq) + NO3-(aq)).

N.B. Vous pourrez vous aider pour répondre à cette question de l’animation « animation_pile.swf »

11. Justifier la phrase « une pile Fer/Cuivre en fonctionnement est aussi le siège d’une réaction d’oxydoréduction entre les ions cuivre Cu2+ et le fer métallique Fe »

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