CHAP.6SOLUTIONS ET ÉLECTRICITÉ

1 – Les risques d'électrocution sont plus importants dans des milieux humides que des milieux secs. Cela signifie-t-il que toutes les solutions peuvent conduire le courant ?

2 – Le métal cuivre, employé pour les circuits électriques, doit être sans impureté. Ce que l'on réalise grâce à une électrolyse. Une quoi ?

3 – De nombreux appareils (lampes torches, télécommandes, calculatrices, jouets, appareils photographiques, téléphones portables …) fonctionnent avec des piles électrochimiques. Comment ça fonctionne et pourquoi ça s'use ?

I – SOLUTIONS ET ÉLECTRICITÉ1 – NATURE DU COURANT DANS LES SOLUTIONS

2 – DÉPLACEMENT DES PORTEURS DE CHARGES DANS LES SOLUTIONS IONIQUES

II – ÉLECTROLYSE ET APPLICATIONSIII – UN GÉNÉRATEUR ÉLECTROCHIMIQUE : LA PILE

1 – PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

2 – DE GALVANI À NOS JOURS

CE QUE JE DOIS SAVOIR

Connaissances Savoir-faire théoriques Savoir-faire expérimentaux

solutions conductrices du courant, nature du courant électrique dans une solution aqueuse

la pile électrochimique, source d'énergie chimique, conversion d'énergie chimique en énergie électrique (et calorifique)

reconnaître une solution aqueuse conductrice, nature du courant, sens de déplacement des porteurs de charge

électrolyse et applications décrire une pile, décrire et

schématiser la réaction entre une sol. aq. de sulfate de cuivre et de la poudre de zinc.

tester le caractère plus ou moins conducteur de différentes solutions aqueuses

réaliser la réaction entre une sol. aq. de sulfate de cuivre et de la poudre de zinc : par contact direct et en réalisant une pile

I – SOLUTIONS ET ÉLECTRICITÉ

1 – NATURE DU COURANT ÉLECTRIQUE DANS LES SOLUTIONS

DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL RÉSULTATS

Électrolyte Intensité I du courant Conducteur ?Eau du robinet

Eau « pure »

Eau « pure » + sel de cuisine (NaCl)

Eau « pure » + sucre

Eau « pure » + soude

Huile

Une solution conduit le courant électrique si elle contient des ions. Plus elle contient d’ions, mieux elle conduit l’électricité (plus l’intensité du courant est élevée).Les solutions contenant uniquement des molécules ne sont pas conductrices d'électricité.

2 – DÉPLACEMENTS DES PORTEURS DE CHARGES DANS LES SOLUTIONS IONIQUES

Lorsque la solution ionique n’est soumise à aucune tension électrique les ions se déplacent dans

n’importe quel sens.

Lorsque la solution ionique est soumise à une tension électrique, les cations se dirigent vers la cathode (reliée à la

borne « - » du générateur) et les anions se dirigent vers l’anode.

Dans une solution ionique, le courant électrique est un double déplacement (migration) des ions positifs (cations) vers la cathode et des ions négatifs (anions) vers l’anode.

II – ÉLECTROLYSE ET APPLICATIONS

On appelle électrolyse l’ensemble des TC produites, à la surface des électrodes, par le passage du courant dans une solution ionique.

à la cathode, il se produit une TC qui capte des e- (provenant de la borne « - » du générateur) ; à l’anode, il se produit une TC qui libère des e- (se dirigeant vers la borne « + » du générateur).

L'électrolyse a de nombreuses applications industrielles telles que : la décomposition et la synthèse de l’eau, la synthèse de produits chimiques (soude, aluminium, ...), l'affinage des métaux (cuivre, zinc … par électrolyse à anode soluble), la galvanoplastie (dépôt de métal sur un autre objet pour décorer ou protéger ce dernier de la corrosion tel que le zingage, le nickelage, l'argenture ou l'étamage), la galvanoplastie (reproduction d'un objet de faible relief tel qu'une médaille, un disque).Cependant, elle consomme de l'énergie coûteuse : l'énergie électrique. C'est pourquoi son utilisation est réservée au cas où les autres méthodes sont impossibles à réaliser ou encore plus coûteuses qu'elle.

+ -

A

G

+ -

A A

+ -GG

Electrode par laquelle arrive le courant (anode, du grec ana (en haut) et hodos (chemin))

Electrode par laquelle repart le courant (cathode)

Electrolyseur avec solutions à tester (électrolytes), V identiques.

III – UN GÉNÉRATEUR ÉLECTROCHIMIQUE : LA PILE

1 – PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Pour constituer une pile, il nous faut deux électrodes (en métal ou en carbone graphite) qui constitueront les deux bornes de celles-ci, ainsi qu'une solution ionique (appelée électrolyte) dans laquelle sont plongées les deux électrodes.Lors du fonctionnement de la pile, il se produit des transformations chimiques au niveau de chacune des électrodes : des électrons sont libérés à l'une des électrodes (anode). Ces électrons circulent, à l'extérieur de la pile, vers l'autre électrode, créant ainsi le courant électrique. Les réactifs, constituant la pile, sont donc consommés entraînant ainsi l'usure de la pile.La pile convertit une partie de l'énergie chimique des réactifs en énergie thermique et en énergie électrique (une pile s'échauffe d'autant plus que le courant débité est intense).

Remarques : - dans une pile à combustible (ex : pile à dihydrogène) les réactifs ont la possibilité d'être renouvelés continuellement, si bien que la TC ne s'arrête pas ;

- dans un accumulateur, appelé à tort « pile rechargeable », les TC qui s'y produisent peuvent s'inverser, si bien que les réactifs consommés (lors de la décharge) sont régénérés.

2 – DE GALVANI À NOS JOURS

A la fin du 18ème siècle, les phénomènes électriques sont déjà bien connus, mais mal compris. On sait faire des étincelles électriques, mais l'électricité ne donne lieu à aucune utilisation dans la vie quotidienne. C'est grâce aux travaux et à la rivalité de deux scientifiques italiens, Luigi GALVANI et Alessandro VOLTA que l'électricité va être domestiquée.

EXPÉRIENCES DE GALVANI (1791)

Luigi Galvani réalisait des expériences d'anatomie sur des grenouilles.Un jour, il avait suspendu, avec un fil de cuivre, un cadavre de grenouille sur un balcon. Au moment où le vent se fit sentir, le corps de la grenouille toucha la barre de fer et se mit à tressaillir comme s'il était soumis à un choc électrique. Galvani en conclut l'existence d'une « électricité animale » provenant des grenouilles.

L'INTERPRÉTATION DE VOLTA (1796) ET SA PILE (1801)

Alessandro Volta pensait autrement.Pour lui, la grenouille de Galvani se mettait à sursauter à cause d'une électricité extérieure.Après plusieurs expériences, il constata qu'en plaquant deux métaux différents (cuivre et zinc, par exemple) au contact d'une solution telle que l'eau salée, il se produisait de l'électricité.

LA PILE DANIELL (1836)

Elle consiste à faire durer la pile plus longtemps : des cristaux de sulfate cuivre sont ajoutés afin de réalimenter la solution en ions cuivre II Cu2+.La pile comporte alors deux compartiments (l'un contenant une solution de sulfate de zinc, l'autre une solution de sulfate de cuivre) séparés par une paroi poreuse.http://www.uel-pcsm.education.fr/consultation/reference/chimie/solutaque/apprendre/chapitre5bis/partie2/titre9.htm

LA PILE LECLANCHÉ (1877)

Elle rend la pile transportable, en remplaçant la solution ionique par un gel (le chlorure d'ammonium)et améliore son fonctionnement en remplaçant la seconde lame métallique par une tige de carbone entourée de dioxyde de manganèse.C'est l'ancêtre de la pile saline actuelle.

LES PILES SALINES

Les électrodes ne sont pas deux lames ou deux disques métalliques de cuivre et de zinc mais un bâtonnet de carbone d'une part et d'une gaine en zinc d'autre part.Dans les piles actuelles, le liquide ionique est remplacé par un gel pâteux, pour que la pile ne « coule » pas.Le composé ionique contenu dans le gel est le chlorure d'ammonium. Le nom de pile saline vient du fait que les composés ioniques étaient autrefois appelés « sels ».Ces piles délivrent des tensions de 1,5 V et on les utilise pour des applications peu exigeantes (réveils, jouets …) car leur durée de vie est relativement courte.

LES PILES ALCALINES

Ce sont aussi des piles zinc/carbone, mais on peut noter deux différences essentielles :- le liquide ionique (gel) contient de l'hydroxyde de potassium (le potassium est un métal dit alcalin (comme le sodium) d'où le nom de pile alcaline);- la durée de vie est plus grande pour les piles alcalines.Ces piles peuvent, en plus, fournir des courants plus importants que les piles salines et sont ainsi utilisées pour les appareils photos, lecteurs mp3 … mais elles sont plus chères que les piles salines.

LES PILES AU LITHIUM

Elles délivrent, à volume égal, beaucoup plus d'énergie électrique que les précédentes, mais elles sont aussi beaucoup plus chères.Les réactifs sont le métal lithium (remplaçant le métal zinc) et divers oxydes métalliques. Selon l'oxyde utilisé, la tension aux bornes est différente (de 1,2 à 3,5 V) :Elles sont utilisées dans les calculatrices plates et pour les autres usages de longue durée à faible intensité tels que les montres, les stimulateurs cardiaques …

LA PILE À COMBUSTIBLE (dihydrogène)

Elle délivre encore plus d'énergie électrique que les précédentes, et est non polluante puisqu'elle produit de l'eau.Déjà utilisée dans l'espace, on envisage d'autres utilisations telles que les véhicules (terrestres comme maritimes), les ordinateurs, les téléphones portables … mais son coût reste encore très élevé et surtout il s'agit de pouvoir stocker en toute sécurité le gaz dihydrogène, qui est très combustible et difficile à liquéfier.

ATTENTION, chaque année, en France, près de 29 000 tonnes de piles, soit près d'un million d'unités, sont utilisées. Si on ajoute les accumulateurs, ce sont des milliers de tonnes de métaux lourds comme le zinc, le manganèse, le nickel, le plomb, le mercure dont il faut éviter la dissémination dans l'environnement, car ils présentent des dangers pour la santé.En s'accumulant dans les organismes vivants, animaux ou végétaux, ils peuvent provoquer des intoxications et des maladies graves … Pour cela, récupérons et recyclons nos piles !!!