Convertir l’énergie chimique en énergie électrique

Légende de la leçon

Vert : définitions.

Problématiques

D’où vient l’énergie des piles que l’on utilise tous les jours ? Pourquoi ont-elles une durée d’utilisation limitée ?

I. Rappels de cours

1) L’origine de l’énergie des piles

a) Un réservoir d’énergie chimique

 Une pile est un réservoir d’énergie chimique. Lorsque la pile fonctionne, une partie de cette énergie est transformée sous forme d’énergie électrique et de chaleur.

 L’énergie électrique libérée par une pile provient d’une réaction chimique entre les matières qui constituent la pile. La consommation des réactifs entraîne l’usure de la pile.

b) Une réaction avec échange d’électrons

 Dans un bécher contenant une solution bleue de sulfate de cuivre, on ajoute de la poudre de zinc.

 La solution se décolore (des ions $Cu^{2+}$ disparaissent), un dépôt rouge se forme sur le zinc (apparition de cuivre) et la température de la solution passe de $21 ^oC$ à $35 ^oC$. De plus, un test avec la soude permet d’identifier la formation d’ions $Zn^{2+}$.

 L'équation-bilan de la réaction est :

$Cu^{2+} + Zn \rightarrow Zn^{2+} + Cu$

Il y a donc eu un échange d’électrons entre les réactifs.

2) Pile électrochimique et électrolyse

a) La pile électrochimique

 Une pile électrochimique est constituée de deux électrodes de natures différentes, généralement métalliques, plongées dans une solution conductrice.

 Elle permet de transformer de l’énergie chimique en énergie électrique.

Exemple ci-dessus, l’électrode de cuivre constitue la borne $+$ de la pile et l’électrode de zinc constitue la borne –. Du zinc $Zn$ disparaît et des ions $Zn^{2+}$ apparaissent. Des ions $Cu^{2+}$ disparaissent et du cuivre $Cu$ se dépose sur l’électrode de zinc.

b) L’électrolyse

 L’électrolyse est la dissociation chimique d’une substance par le passage d’un courant électrique. À l’inverse d’une pile électrochimique, elle permet de transformer de l’énergie électrique en énergie chimique.

 Elle s’effectue en plongeant deux électrodes reliées à un générateur de courant électrique dans un électrolyte (une substance conductrice contenant des ions).

II. Méthode

Observer une réaction avec échange d’électrons

On introduit de la poudre de fer dans un tube à essai contenant une solution de sulfate de cuivre à la température de $19 ^oC$. Après avoir mélangé et laissé décanter, une couleur rouge apparaît sur la poudre de fer tandis que la solution devient verdâtre. La température du mélange atteint alors $47 ^oC$.

a. Quelles observations suggèrent qu’il y a eu transformation chimique dans le tube à essai ?

b. Quels sont les réactifs de cette transformation ?

c. Quelles observations suggèrent que les produits de la transformation chimique sont le cuivre et les ions $Fe^{2+}$ ?

Solution

a. Il y a eu transformation chimique pour plusieurs raisons : la solution et la poudre changent de couleur et il y a une augmentation de la température (réaction exothermique).

b. Les réactifs sont le fer ($Fe$) et les ions cuivre II ($Cu^{2+}$).

c. Le dépôt rouge sur la poudre correspond à la formation de cuivre ($Cu$). La couleur verdâtre de la solution indique la présence d’ions $Fe^{2+}$ (quelques gouttes de soude confirmeraient cette hypothèse). L'équation-bilan de la réaction est : $Cu^{2+} + Fe \rightarrow Fe^{2+} + Cu$.