Première
C & E & D & TI
Physique
Cours
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Objectif :
Décrire le mode de fonctionnement de quelques sources de courant continu.
I Les piles
I Les piles
Le transfert spontané d’électrons peut se produire entre les espèces chimiques de deux couples Oxydant/Réducteur :
Soit en les mélangeant: le transfert spontané d’électrons est direct.
Soit en séparant les couples mais en les reliant par un circuit électrique : le transfert spontané d’électrons se fait alors indirectement via le circuit électrique (apparition d’un courant électrique ); on a ainsi constitué un générateur électrochimique appelé pile.
Une pile est constituée de l'assemblage de deux compartiments:
L’un constitue le pôle + (électrode positive) de la pile, l'autre le pôle – (électrode négative).
La plupart du temps chaque compartiment contient une électrode métallique et un électrolyte (milieu ionique).
Les compartiments sont liés par un séparateur permettant le transport des ions (paroi poreuse ou pont salin). Chaque compartiment contient l’oxydant et le réducteur d’un couple oxydant/réducteur.
Une pile permet de convertir de l'énergie chimique en énergie électrique.
Les électrodes étant de natures différentes, on dit que la pile forme une chaine dissymétrique et il existe entre ses bornes une différence de potentiel (d.d.p).
Sa représentation schématique est la suivante:\({E^o}(M_2^{{n_2} + }/{M_2}) \prec {E^o}(M_1^{{n_1} + }/{M_1})\) Alors: \[\Theta {M_2}|{M_2}^{{n_2} + }||{M_1}^{{n_1} + }|{M_1} \oplus \]
Lorsque la pile débite:
-Les électrons circulent dans le conducteur reliant les deux électrodes du pôle négatif vers le pôle positif. Le pôle négatif de la pile est alors constitué de l’électrode le plus réducteur.
- Les ions positifs (cations) se dirigent vers l’électrode négative où il y a oxydation. (perte d’électrons).
Les ions négatives (anions) se dirigent vers l’électrode positive où il y a réduction (gain d’électrons).
Soit en les mélangeant: le transfert spontané d’électrons est direct.
Soit en séparant les couples mais en les reliant par un circuit électrique : le transfert spontané d’électrons se fait alors indirectement via le circuit électrique (apparition d’un courant électrique ); on a ainsi constitué un générateur électrochimique appelé pile.
Une pile est constituée de l'assemblage de deux compartiments:
L’un constitue le pôle + (électrode positive) de la pile, l'autre le pôle – (électrode négative).
La plupart du temps chaque compartiment contient une électrode métallique et un électrolyte (milieu ionique).
Les compartiments sont liés par un séparateur permettant le transport des ions (paroi poreuse ou pont salin). Chaque compartiment contient l’oxydant et le réducteur d’un couple oxydant/réducteur.
Une pile permet de convertir de l'énergie chimique en énergie électrique.
Les électrodes étant de natures différentes, on dit que la pile forme une chaine dissymétrique et il existe entre ses bornes une différence de potentiel (d.d.p).
Sa représentation schématique est la suivante:\({E^o}(M_2^{{n_2} + }/{M_2}) \prec {E^o}(M_1^{{n_1} + }/{M_1})\) Alors: \[\Theta {M_2}|{M_2}^{{n_2} + }||{M_1}^{{n_1} + }|{M_1} \oplus \]
Lorsque la pile débite:
-Les électrons circulent dans le conducteur reliant les deux électrodes du pôle négatif vers le pôle positif. Le pôle négatif de la pile est alors constitué de l’électrode le plus réducteur.
- Les ions positifs (cations) se dirigent vers l’électrode négative où il y a oxydation. (perte d’électrons).
Les ions négatives (anions) se dirigent vers l’électrode positive où il y a réduction (gain d’électrons).
I-1 Étude de quelques piles
I-1-1 La pile Volta
I-1-1 La pile Volta
Le mot pile est celui employé par Volta qui en 1800 réalisa la première pile électrique en empilant des disques de zinc (origine du mot pile) et de cuivre séparés par des rondelles de tissu imbibé d’eau salée (\({H_2}O + NaCl\)).
Elle est constituée d’une électrode de cuivre et d’une électrode de zinc plongeant dans une solution d’acide sulfurique.
\({E^O}(C{u^{2 + }}/Cu) = + 0,34V\). \({E^O}(Z{n^{2 + }}/Zn) = - 0,76V\),
L’anode est constituée de matériaux choisis pour leur aptitude à libérer des électrons. En générale ce sont des métaux (plomb, fer, zinc, cadmium, calcium, aluminium, magnésium, lithium) ou de l’hydrogène. De part les potentiel redox, Zn est plus réducteur que Cu donc sera au pôle négatif.
Elle est constituée d’une électrode de cuivre et d’une électrode de zinc plongeant dans une solution d’acide sulfurique.
\({E^O}(C{u^{2 + }}/Cu) = + 0,34V\). \({E^O}(Z{n^{2 + }}/Zn) = - 0,76V\),
L’anode est constituée de matériaux choisis pour leur aptitude à libérer des électrons. En générale ce sont des métaux (plomb, fer, zinc, cadmium, calcium, aluminium, magnésium, lithium) ou de l’hydrogène. De part les potentiel redox, Zn est plus réducteur que Cu donc sera au pôle négatif.
* Fonctionnement
- Au pôle négatif, il y a oxydation i.e. perte d’électron suivant l’équation : \[Zn \to Z{n^{2 + }} + 2{e^ - }\]
Au pôle positif, il y a réduction de l’ion hydronium suivant l’équation : \[2{H_3}{O^ + } + 2{e^ - } \to 2{H_2}O + {H_2}\]
Le bilan global de la transformation est, en éliminant les électrons échangés aux électrodes entre les deux équations: \[Zn + 2{H_3}{O^ + } \to Z{n^{2 + }} + 2{H_2}O + {H_2}\]
Lorsque la pile débite, il y a consommation du zinc et formation du dihydrogène. La tension à ses bornes est: \[ = \Delta E = {E^0}(c{u^{2 + }}/cu) - {E^0}({Z_n}^{2 + }/{Z_n}) = 1,1V\]
- Au pôle négatif, il y a oxydation i.e. perte d’électron suivant l’équation : \[Zn \to Z{n^{2 + }} + 2{e^ - }\]
Au pôle positif, il y a réduction de l’ion hydronium suivant l’équation : \[2{H_3}{O^ + } + 2{e^ - } \to 2{H_2}O + {H_2}\]
Le bilan global de la transformation est, en éliminant les électrons échangés aux électrodes entre les deux équations: \[Zn + 2{H_3}{O^ + } \to Z{n^{2 + }} + 2{H_2}O + {H_2}\]
Lorsque la pile débite, il y a consommation du zinc et formation du dihydrogène. La tension à ses bornes est: \[ = \Delta E = {E^0}(c{u^{2 + }}/cu) - {E^0}({Z_n}^{2 + }/{Z_n}) = 1,1V\]
I-1-2 La pile Leclanché: Pile à dépolarisant
L'électrolyte est un composé salin: chlorure d'ammonium, de zinc, qualifié de « sel », d’où le nom “pile saline “ donné à ce type de pile. Les réactifs, consommés et libérant de l’énergie lors de son fonctionnement, sont le dioxyde de manganèse et le métal zinc.
* Description
Elle est constituée de :
- L’électrode négative enveloppée de zinc
- L’électrode positive en bâton de carbone graphite entourée d’une pâte de dioxyde de manganèse MnO2 (qui est un dépolarisant) et d’une poudre de carbone conductrice
La présence d’un dépolarisant favorise la dissymétrie des électrodes et permet un courant de longue durée.
- L’électrolyte est une solution gélifiée de chlorure de zinc (ZnCl2) et de chlorure d’ammonium ( NH4Cl).
* Fonctionnement
Lorsque la pile débite, le passage de courant est accompagné des réactions aux électrodes.
- À la borne négative; il y a oxydation du zinc \[Zn \to Z{n^{2 + }} + 2{e^ - }\]
- À la borne positive, il y a réduction MnO2. \[Mn{O_2} + {e^ - } + {H_3}{O^ + }{\rm{ }} \to {\rm{ }}Mn{O_2}H{\rm{ }} + {H_2}O\]
Le bilan global de la transformation est:\[2Mn{O_2} + 2{H_3}{O^ + } + Zn \to Z{n^{2 + }} + 2{H_2}O + 2MnO(OH)\]
D’après l’équation bilan, la pile consomme du dioxyde de manganèse et du zinc. Elle cessera de fonctionner dés que l’un de ces réactifs s’épuisera.sa f.é.m. est de 1,5v.
Elle est constituée de :
- L’électrode négative enveloppée de zinc
- L’électrode positive en bâton de carbone graphite entourée d’une pâte de dioxyde de manganèse MnO2 (qui est un dépolarisant) et d’une poudre de carbone conductrice
La présence d’un dépolarisant favorise la dissymétrie des électrodes et permet un courant de longue durée.
- L’électrolyte est une solution gélifiée de chlorure de zinc (ZnCl2) et de chlorure d’ammonium ( NH4Cl).
* Fonctionnement
Lorsque la pile débite, le passage de courant est accompagné des réactions aux électrodes.
- À la borne négative; il y a oxydation du zinc \[Zn \to Z{n^{2 + }} + 2{e^ - }\]
- À la borne positive, il y a réduction MnO2. \[Mn{O_2} + {e^ - } + {H_3}{O^ + }{\rm{ }} \to {\rm{ }}Mn{O_2}H{\rm{ }} + {H_2}O\]
Le bilan global de la transformation est:\[2Mn{O_2} + 2{H_3}{O^ + } + Zn \to Z{n^{2 + }} + 2{H_2}O + 2MnO(OH)\]
D’après l’équation bilan, la pile consomme du dioxyde de manganèse et du zinc. Elle cessera de fonctionner dés que l’un de ces réactifs s’épuisera.sa f.é.m. est de 1,5v.
I-1-3 La pile Daniell
* Description
* Description
Elle est constituée de:
- L’électrode zinc pôle négative plongeant dans une solution de sulfate de zinc
- L’électrode de cuivre plongeant dans une solution aqueuse de sulfate de cuivr
* Fonctionnement
Lorsque la pile débite; on a
- Au pôle négatif (anode) \[Zn \to Z{n^{2 + }} + 2{e^ - }\]
- Au pôle positif (cathode) \[C{u^{2 + }} + 2{e^ - } \to Cu\]
soit: \[Zn + C{u^{2 + }} \to Z{n^{2 + }} + Cu\] Pendant le fonctionnement de cette pile, la nature de ses électrodes n’est pas modifié: la pile Daniell est une pile impolarisable.
- L’électrode zinc pôle négative plongeant dans une solution de sulfate de zinc
- L’électrode de cuivre plongeant dans une solution aqueuse de sulfate de cuivr
* Fonctionnement
Lorsque la pile débite; on a
- Au pôle négatif (anode) \[Zn \to Z{n^{2 + }} + 2{e^ - }\]
- Au pôle positif (cathode) \[C{u^{2 + }} + 2{e^ - } \to Cu\]
soit: \[Zn + C{u^{2 + }} \to Z{n^{2 + }} + Cu\] Pendant le fonctionnement de cette pile, la nature de ses électrodes n’est pas modifié: la pile Daniell est une pile impolarisable.
II-2 Accumulateur au plomb.
La cellule élémentaire est formée d’une plaque positive recouverte de dioxyde de plomb, d’un électrolyte constitué par une solution d’acide sulfurique, d’une plaque négative recouverte de plomb.
Les réactions chimiques aux électrodes sont réversibles.
Au pôle positif :
Les ions sulfate, en milieu acide réduisent l’oxyde de plomb en sulfate (solide) à la décharge
Au pôle négatif:
Les ions sulfate oxydent le plomb en sulfate de plomb (solide) à la décharge.
Elles ne sont parfaitement réversibles que si le dépôt de sulfate de plomb sur chaque électrode reste limité.
La cyclabilité est le nombre de cycle << charges-décharges>> qu’un accumulateur peut effectuer..
Les réactions chimiques aux électrodes sont réversibles.
Au pôle positif :
Les ions sulfate, en milieu acide réduisent l’oxyde de plomb en sulfate (solide) à la décharge
Au pôle négatif:
Les ions sulfate oxydent le plomb en sulfate de plomb (solide) à la décharge.
Elles ne sont parfaitement réversibles que si le dépôt de sulfate de plomb sur chaque électrode reste limité.
La cyclabilité est le nombre de cycle << charges-décharges>> qu’un accumulateur peut effectuer..
