fiche pédagogique enseignant les piles chimie...

Fiche pédagogique réalisée

dans le cadre du projet Inforoutes

TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie

avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie

www.vizavi-edu.ro Partenaires :

Fiche pédagogique enseignant

CHIMIE

Jean-Paul Bel, Institut universitaire de formation des maîtres, Université Montpellier II.

MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETĂRII, TINERETULUI

ŞI SPORTULUI

Les piles

électrochimiques

Pays Roumanie

Cadre Lycées à section bilingue francophone

Niveaux Classes de XIIe

Discipline Chimie

Programme Curriculum spécifique aux sections bilingues http://www.vizavi-edu.ro/fr/ressources/baccalaureat/textes-officiels-

programmes/74.html

Thème du

programme L’état d’équilibre d’un système chimique

Sujet Les piles électrochimiques

Approche

méthodologique

Mettre en place une démarche d’investigation (ou une démarche

expérimentale)

Pré-requis

L’étude de l’oxydoréduction (couples rédox et réaction d’oxydoréduction)

L’étude des réactions acidobasiques

La fém (force électromotrice) et la résistance interne d’un générateur

(physique)

OBJECTIFS

Disciplinaires

Schématiser une pile

Analyser la constitution d’une pile simple (ion métallique/métal) ; étudier son

fonctionnement et ses caractéristiques en circuit ouvert et en circuit fermé

Interpréter le fonctionnement d’une pile en disposant d’une information parmi

les suivantes : sens de circulation du courant électrique, f.é.m., réactions aux

électrodes, polarité des électrodes ou mouvement des porteurs de charges

Utiliser le critère d’évolution spontanée pour prévoir le sens du courant dans

une pile (si les équilibres chimiques ont été étudiés)

Écrire les réactions aux électrodes et relier les quantités de matière des espèces

formées ou consommées à l’intensité du courant et à la durée de la

transformation, dans une pile.

http://www.vizavi-edu.ro/fr/ressources/baccalaureat/textes-officiels-programmes/74.html

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Les piles

électrochimiques

Linguistiques

Maîtriser le lexique spécifique à l’oxydoréduction et à l’électrocinétique des

générateurs

Décrire, présenter les facteurs qui influencent un phénomène

Décrire un processus, un phénomène, des transformations

Identifier et utiliser les connecteurs logiques pour retracer un raisonnement

logique (cause, conséquence)

DOCUMENTS

Document 1

Fiche professeur et fiche élève pour l’activité 1 :

une réaction d’oxydoréduction simple

TP n°10 « transfert d’électrons direct »

http://www.physagreg.fr/premiere-word.php

Document 2

Fiche professeur et fiche élève pour activité 2 :

Que se passe-t-il si on sépare les 2 couples redox ? On construit une pile.

TP n°10 « transfert d’électrons indirect »


Document 3

Fiche professeur et fiche élève pour l’activité 3 :

Quels sont les facteurs qui influencent la fém d’une pile ?

TP n°10 « facteurs influençant la fém d’une pile »


OUTILS LINGUISTIQUES

Lexique utile

spontané

mettre en présence

un dépôt (déposer)

rougeâtre (rouge)

une solution ionique










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Les piles

électrochimiques

électrolyte

gélifié

une électrode

une anode

une cathode

une demi-pile

un pont salin

Formes

syntaxiques /

discursives utiles

Prépositions spatiales / sens de circulation : du ……….. vers.

Interprétation d’un phénomène

La règle, la loi : tournures impersonnelles

Les valeurs du présent de l’indicatif (présent de vérité générale, verbes

d’état)

Le pronom indéfini : « on » ( « si on change …on obtient, on constate

que… »)

Les temps du passé (passé composé, imparfait)

Les connecteurs logiques de cause, de conséquence

SÉQUENCE PEDAGOGIQUE

Durée de la séquence : 2h30 en TP-cours, sur 3 cours.

Problème scientifique : On montre qu’une transformation chimique spontanée impliquant un échange

d’électrons peut avoir lieu soit en mélangeant les espèces chimiques de deux couples oxydant/réducteur, soit en

les séparant ; dans ce dernier cas, on montre que la transformation correspondante est utilisable pour récupérer

de l’énergie sous forme d’énergie électrique à l’aide d’un dispositif : la pile.

• On réalise une première expérience en mélangeant les espèces chimiques de deux couples redox, pour

conclure au sens spontané d’évolution de la transformation chimique. On explique cette transformation à partir

du sens du courant et des valeurs de Qr et K de la réaction.

• Dans une deuxième expérience, avec les mêmes couples, on met en évidence que le transfert d’électrons est

encore possible lorsque les couples oxydant/réducteur sont séparés. On étudie le fonctionnement et les

caractéristiques d’une pile présentée par l’enseignant ou construite par les élèves (en circuit fermé, et en circuit

ouvert)

• Dans une troisième expérience, on construit plusieurs piles et on étudie les facteurs qui influencent la valeur

de la fém.







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électrochimiques

Séance 1 :

Démarche Consigne

Situation déclenchante : Observation de l’expérience de l’activité 1 expérimentale

: une réaction d’oxydoréduction simple

Activité des élèves : compléter la fiche élève

Problème : Comment interpréter les phénomènes liés au contact d’un réducteur

avec un oxydant ?

Hypothèse : Ce sont les échanges d’électrons qui expliquent les dépôts, les

changements de couleur ou les dégagements gazeux.

Conclusion :

Expérience : On met en présence une lame de zinc et une solution de sulfate de

cuivre s’est décolorée.

Observations : un dépôt rougeâtre apparaît sur la lame de zinc et la solution de

sulfate de cuivre s’est décolorée.

Explication :

Il y a eu un transfert d’électrons direct entre les atomes de zinc de la lame et les ions

cuivre II de la solution selon la réaction suivante :

Cu2+(aq) + Zn(s) = Zn2+(aq) + Cu(s)

où les atomes de zinc ont donné 2 e- (Zn(s) = Zn2+(aq) + 2 e-) et les ions cuivre

(II) ont capté ces 2 e- (Cu2+(aq) + 2 e- = Cu(s))

Modalités de

travail

Travail de groupe avec observation des expériences et remplissage de la fiche élève

de l’activité 2

Mise en commun des résultats pour aboutir aux conclusions

Durée

30 min

Objectifs

Évaluation /

Correction Exercices d’application

Séance 2 :

Démarche et

consignes

Situation déclenchante : Observation de l’expérience de l’activité 2 expérimentale

: Que se passe-t-il si on sépare les 2 couples redox ? On construit une pile.

Activité par élève : compléter la fiche élève de l’activité 2







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Problème : Comment interpréter les observations des phénomènes électriques avec

les réactions d’oxydoréduction qui se produisent aux électrodes ?

Hypothèse : Ce sont les échanges d’électrons entre électrodes et solutions qui

expliquent le courant produit.

Conclusion :

Schéma de la pile Daniell :

Constitution :

- Chaque bécher contient l’oxydant et le réducteur conjugués en contact : cet

ensemble est une demi-pile.

- Les 2 parties métalliques sont les électrodes de la pile.

- Le pont salin en chlorure d’ammonium conducteur permet de fermer le circuit

électrique de la pile.

Fonctionnement :

- quand on relie les 2 électrodes par un conducteur, un courant circule de l’électrode

de cuivre (borne +, appelée cathode) vers l’électrode de zinc (borne – appelée

anode) : la pile électrochimique est un générateur électrique.

- il y a transformation de l’énergie chimique d’oxydoréduction en énergie (ou

travail) électrique.

- les réactions chimiques sont les mêmes que dans l’expérience 1.

- les électrons donnés par la cathode de zinc Zn se déplacent, dans le circuit, vers

l’anode de cuivre où ils sont captés par les ions Cu2+(aq)

- quand le circuit est ouvert il existe une tension de 1V environ entre les électrodes :

c’est la fém de la pile Daniell.

NH4+ ; Cl

-







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Schématisation de la pile Daniell:

⊖ Zn(s)/ Zn2+(aq) // Cu2+(aq)/Cu(s) ⊕

Généralisation :

Toutes les piles électrochimiques fonctionnent avec une réaction d’oxydoréduction

(transfert d’électrons). C’est l’énergie de cette réaction qui est transformée en

énergie électrique.

- Chaque pile électrochimique est constituée de deux demi-piles.

- La plupart des demi-piles sont constituées d’une électrode (en métal : M)

et d’un électrolyte (solution d’ions métalliques Mn+(aq)).

- Elles font donc référence chacune à un couple oxydo-réducteur

Mn+(aq)/M(s).

- Un pont salin (solution ionique gélifiée) permet d’assurer la fermeture du

circuit électrique et la neutralité de chaque électrolyte. Il n’intervient

en rien dans l’équation de la réaction qui fournit l’énergie.

- A la borne positive d’une pile, on a toujours la réaction : Ox1 + n e- = Red1, c’est

une réduction. L’électrode est alors appelée une cathode.

- A la borne négative d’une pile, on a toujours la réaction : Red2 = Ox2 + n e-, c’est

une oxydation. L’électrode est alors appelée une anode.

- La fém d’une pile dépend des couples redox des 2 demi-piles

Exemple d’une pile usuelle : la pile saline :

L’électrode négative est à base de zinc,

l’électrode positive est à base de dioxyde de

manganèse.

Les couples redox de la pile saline sont

Zn2+(aq)/Zn(s) et MnO2(s)/MnO(OH)(s).

Ce qui donne une fém d’environ 1,5V

L’équation de la réaction d’oxydoréduction

est :

Zn2+(aq) + 2 MnO2(s)+ 2 H+(aq) Zn(s) + 2 MnO(OH)(s)

La schématisation d’une pile saline est :

⊖ Zn(s) / ZnCl2(aq), NH4Cl(aq) // NH4Cl(aq), MnO2(aq) / C ⊕

Remarque : Dans une pile alcaline l’électrolyte est une solution gélifiée

d’hydroxyde de potassium (KOH) basique (basique = alcaline).

Et elle est schématisée par :







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électrochimiques

⊖ Zn(s) / ZnO(s), KOH(aq) // KOH(aq), MnO2(aq) / Fe ⊕

Modalités de

travail


de l’activité 2

Mise en commun des résultats pour aboutir aux conclusions

Durée 1h

Objectifs

Schématiser une pile

Interpréter le fonctionnement d’une pile en disposant d’une information

parmi les suivantes : sens de circulation du courant électrique, f.é.m.,

réactions aux électrodes, polarité des électrodes ou mouvement des porteurs

de charges

Utiliser le critère d’évolution spontanée pour déterminer le sens de

déplacement des porteurs de charges dans une pile

Écrire les réactions aux électrodes et relier les quantités de matière des

espèces formées ou consommées à l’intensité du courant et à la durée de la

transformation, dans une pile.

Évaluation /

Correction

Exercices de réinvestissement

Séance 3 :

Démarche et

consignes

Situation déclenchante : Observation des expériences de l’activité 3

expérimentale : Quels sont les facteurs qui influencent la fém d’une pile ?

Activité des élèves : Si le temps le permet : réalisation des différentes solutions par

dilution. Compléter la fiche élève de l’activité 3

Problème : Que doit-on changer pour modifier la valeur de la fém d’une pile ?

Hypothèse : Si on change la nature des demi-piles la valeur de la fém est modifiée/

Pour une pile constituée des mêmes demi-piles, si on change les concentrations des

éléctrolytes, la fém change.

Conclusion :

Les bornes + et – d’une pile peuvent être déterminées soit par le sens d’évolution de

la réaction globale soit par la connaissance du classement des couples rédox.

La fém d’une pile dépend de 2 facteurs :

- la nature des couples redox utilisés pour la constituer

- la concentration des solutions utilisées pour former les demi-piles.







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Une pile s’use parce que la concentration d’un des électrolytes diminue au cours du

temps.

Modalités de

travail


de l’activité 3

Mise en commun des résultats pour aboutir au contenu du cours.

Durée 1h

Objectifs - déterminer expérimentalement les facteurs qui influencent la fém d’une pile

- expliquer qu’une « pile s’use si l’on s’en sert »

Évaluation /

Correction

Exercices de réinvestissement

CONSEILS POUR LES ENSEIGNANTS

Ce chapitre devra, si possible, être traité après les équilibres chimiques (quotient de réaction Qr,

constante d’équilibre K et détermination du sens d’évolution en comparant les 2 valeurs).

Si ce n’est pas le cas, le sens de circulation du courant dans une pile devra être interprété à partir de

l’aspect électrique : on compare les potentiels des couples, qui seront donnés par le professeur.

L’activité 3 peut être faite par les élèves à partir d’un tableau donnant la valeur de la fém théorique, si la

construction des 7 piles est irréalisable.







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Les piles

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Activité 1 expérimentale

Une réaction d’oxydoréduction simple

Fiche professeur

Produits nécessaires

- lame de zinc

- solution de sulfate de cuivre(II), Cu2+(aq) + SO24–(aq), 1,0.10–2 mol.L–1

Expérience

Une lame de zinc plongée dans une solution de Cu2+(aq) + SO42-(aq)

Observations

- Expérience TP : la solution dans laquelle on a ajouté la poudre de cuivre et la poudre de zinc s’est

décolorée.

- Expérience cours : un dépôt rougeâtre apparaît sur la lame de Zinc et on observe un précipité noir dans la

solution.

Conclusion

Il y a eu un transfert d’électrons direct entre les atomes de zinc de la lame et les ions cuivre II de la solution selon

la réaction suivante :

Cu2+(aq) + 2 e- = Cu(s)

Zn(s) = Zn2+(aq) + 2 e-

Cu2+(aq) + Zn(s) = Zn2+(aq) + Cu(s)

Fiche élève (à compléter à partir des observations de l’expérience)

1) faire le schéma de l’expérience :

2) noter les observations :

3) expliquer les observations et écrire l’équation chimique de la transformation observée :







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Que se passe-t-il si on sépare les 2 couples redox ? On construit une pile.

Fiche professeur

Matériel

- 2 béchers

- lame de zinc

- lame de cuivre

- Solution de sulfate de cuivre(II), Cu2+

(aq) + SO2

4–(aq), 1,0.10

–2 mol.L

–1

- Solution de sulfate de zinc(II), Zn2+

(aq) + SO2

4–(aq), 1,0.10

–2 mol.L

–

- ponts salins qui peuvent être remplacés par une large bande de papier filtre imbibée de solution

de nitrate de ammonium saturée, de dimensions : 8 cm de long, 4 cm de large, pliée en 4 dans le

sens de la largeur.

- Multimètre, résistance de 22 et fils de connexion (Compte tenu de la forte résistance interne

de cette pile, on pourrait placer directement l’ampèremètre aux bornes de la pile (mesure du

courant de court-circuit) mais, pour des raisons pédagogiques, il est préférable de lui associer

une résistance)

Expérience

Circuit fermé Circuit ouvert ZOOM







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Schéma de l’expérience ;

Observations :

Lorsque l’on approche les deux béchers, on n’observe pas d’évolution du système.

Lorsque l’on relie les deux lames par le montage proposé, le système n’évolue pas, le multimètre placé en

mode ampèremètre indique une intensité négligeable.

Lorsque l’on rajoute le pont salin, alors le système évolue, l’ampèremètre indique une intensité non

nulle : I = … mA d’un courant électrique qui circule du cuivre vers zinc.

Si on utilise le multimètre en voltmètre, on mesure la tension délivrée par la pile : …

Le + est du côté du cuivre et le – du côté du zinc.

Explications

1) Les équations des réactions aux électrodes sont : Cu2+

(aq) + 2 e- = Cu(s)

Zn(s) = Zn2+

(aq) + 2 e-

L’équation de la réaction associée à la transformation ayant lieu dans la pile est :

Cu2+

(aq) + Zn(s) = Zn2+

(aq) + Cu(s)

2) Le pont salin maintient l’électroneutralité des solutions d’électrolytes en permettant les échanges

ioniques entre le pont et les solutions dans lesquelles il plonge et la continuité du circuit électrique qui doit

être fermé.

3) La pile est un système hors équilibre car, tant qu’elle peut délivrer un courant, des électrons peuvent être

échangés et le système peut évoluer car il n’a pas encore atteint son état d’équilibre.

4) Lorsque le multimètre est placé en mode voltmètre, on observe l'existence d'une tension aux bornes de la

pile, appelée force électromotrice. Cela nous permet d’avoir la polarité des électrodes, celle-ci étant prévue

par le critère d'évolution est déterminée.

NH4+ ; Cl

-







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Utilisation du critère d’évolution spontanée pour expliquer le sens de la réaction :

L’équation de la réaction mise en jeu s’écrit :

Cu2+

(aq) + Zn(s) = Zn2+

(aq) + Cu(s) (*)

Pour l’état initial de la pile constituée :

Le quotient de réaction dans l’état initial vaut : Qr,i =

i

i

Cu

Zn

][

][2

2

= 1

Pour l’état d’équilibre :

Le quotient de réaction dans l’état d’équilibre s’écrit : Qr,éq. = 2+

.

2+

.

[Zn ]

[Cu ]

éq

éq

; or Qr,éq = K et K = 1037

Puisque Qr,i < K, l’application du critère d’évolution permet de conclure que le système évolue dans le

sens direct de l’équation (*) :

Lorsque la pile débite, le système chimique est hors équilibre, la pile usée correspond à

l’état d’équilibre.

Des électrons sont cédés par l’électrode de Zinc selon la demi-équation électronique :

Zn(s) = Zn2+

(aq) + 2 e-

Les électrons sortent de cette électrode donc le courant entre dans cette électrode, il s’agit de

la borne ⊖ de la pile.

Des électrons sont captés, les ions cuivre II de la solution ionique, selon la demi-équation

électronique :

Cu2+

(aq) + 2 e- = Cu(s)

Les électrons arrivent sur l’électrode de cuivre donc le courant sort de cette électrode, il

s’agit de la borne ⊕ de la pile.







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1) faire le schéma de l’expérience avec une légende complète : ce schéma sera complété avec les

observations.

2) noter les observations :

4) expliquer les observations en donnant :

• le sens de déplacement des électrons :

• les équations chimiques à chacune des électrodes :

• le rôle du pont salin :

4) Utiliser le critère d’évolution spontanée pour expliquer le sens de la réaction observée dans la pile :

On donne K = 1037







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Quels sont les facteurs qui influencent la fém d’une pile ?

Fiche professeur

Expérience :

Réalisons plusieurs piles dont les caractéristiques sont données par le tableau ci-dessous :

- Choix de l’anode et de la cathode (des couples redox).

- Concentration des solutions électrolytiques.

Mesurons la fém de chacune de ces piles et complétons le tableau :

N° Schéma de la pile

Qr,i [M1

n+]

(mol.L-1

)

[M2n+

]

(mol.L-1

)

fém (V)

théorique

fém (V)

exp

Pôle +

cathode

Pôle -

anode

1 Fe(s) / Fe2+

(aq) // Cu2+

(aq) / Cu(s) 1 1.0*10-1

1.0*10-1

0,78 Cu Fe

2 Fe(s) / Fe2+

(aq) // Pb2+

(aq) / Pb(s) 1 1.0*10-1

1.0*10-1

0,31 Pb Fe

3 Zn(s) / Zn 2+

(aq) // Ag+

(aq) / Ag(s) 1 1.0*10-1

1.0*10-1

1,53 Ag Zn

4 Zn(s) / Zn 2+

(aq) // Pb2+

(aq) / Pb(s) 1 1.0*10-1

1.0*10-1

0,64 Pb Zn

5 Pb(s) / Pb2+

(aq) // Cu2+

(aq) / Cu(s) 1 1.0*10-1

1.0*10-1

0,47 Cu Pb

6 Zn(s) / Zn 2+

(aq) // Cu2+

(aq) / Cu(s) 0.01 1,0.10-3

1.0*10-1

1,13 Cu Zn

7 Zn(s) / Zn 2+

(aq) // Cu2+

(aq) / Cu(s) 100 1.0*10-1

1,0.10-3

0,95 Cu Zn

Equations des réactions globales des piles :

Cu2+

(aq) + Fe(s) = Fe2+

(aq) + Cu(s)

Pb2+

(aq) + Fe(s) = Fe2+

(aq) + Pb(s)

2 Ag+

(aq) + Zn(s) = Zn2+

(aq) + 2 Ag(s)

Pb2+

(aq) + Zn(s) = Zn2+

(aq) + Pb(s)

Cu2+

(aq) + Pb(s) = Pb2+

(aq) + Cu(s)

Cu2+

(aq) + Zn(s) = Zn2+

(aq) + Cu(s)

Cu2+

(aq) + Zn(s) = Zn2+

(aq) + Cu(s)

D’après le critère d’évolution spontanée, les transformations globales qui ont lieu dans ces piles évoluent dans

le sens direct (gauche à droite).

La fém d’une pile dépend de la nature des couples redox utilisés pour la constituer.

La fém dépend également de la concentration des solutions utilisées pour former les demi-piles. Une pile s’use

parce que la concentration d’un des électrolytes diminue au cours du temps.







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Expérience

On mesure la fém des piles dont les caractéristiques sont données par le tableau ci-dessous :

N° Schéma de la pile

Qr,i [M1

n+]

(mol.L-1

)

[M2n+

]

(mol.L-1

)

fém (V)

théorique

fém (V)

Exp

Pôle +

cathode

Pôle -

anode

1 Fe(s) / Fe2+

(aq) // Cu2+

(aq) / Cu(s) 1 1.0*10-1

1.0*10-1

0,78

2 Fe(s) / Fe2+

(aq) // Pb2+

(aq) / Pb(s) 1 1.0*10-1

1.0*10-1

0,31

3 Zn(s) / Zn 2+

(aq) // Ag+

(aq) / Ag(s) 1 1.0*10-1

1.0*10-1

1,53

4 Zn(s) / Zn 2+

(aq) // Pb2+

(aq) / Pb(s) 1 1.0*10-1

1.0*10-1

0,64

5 Pb(s) / Pb2+

(aq) // Cu2+

(aq) / Cu(s) 1 1.0*10-1

1.0*10-1

0,47

6 Zn(s) / Zn 2+

(aq) // Cu2+

(aq) / Cu(s) 0.01 1,0.10-3

1.0*10-1

1,13

7 Zn(s) / Zn 2+

(aq) // Cu2+

(aq) / Cu(s) 100 1.0*10-1

1,0.10-3

0,95

1) Qu’est-ce qui différencie les piles 1 à 5 ? Les piles 6 et 7 ?

2) Ecrire les équations des réactions globales des piles 1 à 6 :

N° Réaction globale de la pile Sens d’évolution

1

2

3

4

5

6

7







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3) D’après le critère d’évolution spontanée, donner le sens d’évolution de la réaction de chacune des piles. En

déduire les bornes + et – de chacune d’elles (compléter le tableau)

4) Donner les 2 facteurs qui influencent la valeur de la fém d’une pile. Expliquer pourquoi l’une s’use au cours

du temps.

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