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LES BATTERIES Stocker l’énergie

Solar Impulse produit plus d’énergie électrique que nécessaire. En effet, l’avion a besoin d’électricité pour voler de nuit ou lorsque l’ensoleillement est faible. Il faut donc stocker cette énergie supplémentaire. C’est le rôle des batteries.

Cette fiche te permettra de découvrir comment il est possible de stocker de l’énergie électrique et de fabriquer toi-même une batterie.

Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse

Rédaction : Michel Carrara

Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro – Centre d’impression EPFL

Suivi de projet : Yolande Berga

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QU’EST-CE QU’UNE BATTERIE ?

Une fois que la lumière est transformée en électricité par ses cellules solaires, Solar Impulse va utiliser cette énergie pour alimenter ses moteurs qui ne fonctionnent qu’à l’électricité. Mais il faut aussi son-ger à l’approvisionnement en énergie durant la nuit ou lors de périodes de faible ensoleillement. C’est pourquoi les cellules solaires de l’avion produisent de jour plus de courant que nécessaire. Le surplus d’énergie est stocké dans des batteries et peut être ensuite utilisé quand les cellules solaires n’en four-nissent plus (voir fiche LES CELLULES SOLAIRES).

Une batterie, selon le dictionnaire Larousse, est une « série d’appareils, d’instruments, d’éléments des-tinés à fonctionner ou à être utilisés ensemble, etc. ». Mais de quels appareils s’agit-il ici ? D’accumu-lateurs ! Un accumulateur, toujours selon le Larousse, est un « appareil qui emmagasine de l’énergie pour la restituer à mesure des besoins ». Un accumulateur électrique est donc une pile que l’on peut recharger. En résumé, un accumulateur emmagasine de l’électricité pour la restituer ensuite et une batterie est un ensemble d’accumulateurs.

L’anguille électrique

Ce poisson présente la particularité de posséder des or-ganes électriques (plaque électrique) dans la partie posté-rieure de son corps. Il est capable d’envoyer des décharges électriques de 100 à 700 volts qui peuvent tuer un être hu-main par électrocution.

opencage (CC-BY-SA) Stan Shebs (CC-BY-SA)

L’avion solaire est équipé de 4 batteries qui se trouvent, avec les moteurs, dans les 4 nacelles sous les ailes. Chaque batterie est constituée de plusieurs cellules lithium polymère connectées entre elles pour atteindre la tension voulue. Ce qui caractérise les batteries de Solar Impulse, c’est leur rap-port poids / rendement / durée de vie. Les batteries du HB-SIB sont particulièrement révolutionnaires. Le secret réside dans la for-mule chimique complexe qui a permis une réduction du phénomène d’oxydation et donc du processus d’usure. Les nouvelles batteries de Solar Impulse peuvent garantir 2’000 heures de vol, contre 500 dans le cas des batteries du HB-SIA. Les batteries sont placées à côté des moteurs pour réduire la perte d’énergie.

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LES PILES

Il faut commencer par comprendre ce qu’est une pile, pour bien comprendre ce qu’est une batterie d’accumulateurs. Une pile est un dispositif qui transforme en électricité l’énergie contenue dans ses composants. L’énergie, stockée dans la pile, se trouve sous forme de produits chimiques qui réa-gissent entre eux quand la pile délivre du courant électrique. La réaction produit donc un courant élec-trique, car les composés chimiques échangent des électrons entre eux ; on appelle cela une réaction d’oxydoréduction. Comme c’est une réaction chimique qui produit le courant électrique, on nomme ces dispositifs des piles électrochimiques.

LES PILES LIQUIDES

Une pile liquide se présente ainsi :

• Deux électrodes faites de matériaux conduc-teurs (en général des métaux ou du carbone).

• Une ou plusieurs solutions contenant des sels différents (ces composés nécessaires au fonctionnement de la pile peuvent être pré-sents dans un gel, comme c’est le cas dans les piles sèches).

• Un pont salin.

Les types les plus courants de piles électrochimiques sont :

• les piles liquides

• les piles sèches

• les piles à combustible

Ces trois types de piles fonc-tionnent sur le même principe, soit un échange d’électrons entre deux matériaux conducteurs d’électricité, les réactifs (en général des métaux). Les réactifs se transforment en pro-duits après un échange d’électrons.

Le pont salin est constitué d’un tube en U creux rempli d’une solution gélifiée conductrice concentrée (ou d’une simple feuille de papier buvard imprégnée d’une solution concentrée en sel). Les ions présents dans le pont salin (par exemple Na+ et Cl– provenant du chlorure de sodium NaCl) n’interviennent pas dans la réaction qui est la source de l’énergie électrique. On dit qu’ils sont chimiquement inertes. Ils per-mettent seulement le passage du courant dans la pile, car un circuit électrique doit toujours être fermé.

L’échange ne se fait pas directement, les électrons passent d’abord par un circuit extérieur à la pile (un appareil électrique) et créent ensuite un courant électrique.

Réactifs Courantélectrique

Circuit extérieur(appareil nécessitant un courant électrique)

Courantélectrique

Un courant électrique est une circulation d’électrons

Produits

électrons électrons

Pont salin Electrodeen métal

Electrodeen métal

Solutionde sel

Solutionde sel

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Jamais de piles dans les poubelles !

Près de 3’800 tonnes de piles sont vendues chaque année en Suisse, un chiffre qui reste quasiment constant au fil des ans. La majorité de ces piles sont des modèles non-rechargeables.

Rechargeables ou non, les piles et les batteries sont les intrus les plus pol-luants de nos poubelles. Elles contiennent en effet une grande concen-tration de métaux lourds et de substances dangereuses à la fois pour l’environnement et la santé. L’impact de ces déchets spéciaux peut être minimisé simplement : les piles usagées doivent toujours être collectées séparément afin qu’elles suivent une filière de recyclage appropriée.John Seb Barber (CC-BY-SA)

Source : vd.ch/themes/environnement/developpement-durable/dd-au-travail/fiches-dd-info/piles-et-batteries

Depuis le début des années 2000, le canton de Vaud collecte environ 65% des 300 tonnes de piles consommées annuellement sur son territoire. C’est un progrès encou-rageant par rapport aux 20% collectés en 1990, mais ce n’est pas encore suffisant : l’objectif national est fixé à 80% de recyclage !

Pour leur fabrication, les piles non-rechargeables nécessitent environ 50 fois la quanti-té d’énergie qu’on en retire pendant l’utilisation (piles alcalines). A contrario, le rapport est de 3 à 5 pour les accumulateurs rechargeables que l’on trouve notamment dans les téléphones portables.

Quelques bons réflexes à adopter avec les piles :

• Préférez un appareil qui fonctionne sur le secteur plutôt qu’avec des piles.

• Utilisez des accumulateurs rechargeables.

• Déposez vos piles et accumulateurs usagés dans les postes de collecte adaptés que l’on trouve dans pratiquement tous les supermarchés et dans les déchetteries.

• Lorsque vous jetez des appareils électroniques (réveil, jouet, gadget, etc.) n’oubliez pas qu’ils peuvent contenir des piles. Il convient donc de les retirer.

Voyons l’exemple d’une pile faite avec du cuivre (Cu) et du fer (Fe). Le pont salin est fait avec un morceau de tissu trempé dans une solution concentrée en sel de cuisine (NaCl).

Si l’on met en contact du fer et une solution contenant du Cu2+ (venant de la dissolution d’un sel de cuivre, comme le sulfate de cuivre, CuSO4), ces deux entités vont s’échanger des élec-trons ; le fer s’oxyde et devient noir :

Fe + Cu2+ Fe2+ + CuRéactifs Produits

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Lorsque le fer est plongé dans la solution de sulfate de cuivre, il perd des électrons (e–) et se transforme en Fe2+. On peut écrire la transformation du fer seul ainsi : Fe Fe2+ + 2e– . On dit que le fer s’oxyde et se dissout dans la solution. Et le cuivre en solution Cu2+, lui, gagne 2 électrons et passe à l’état solide. On peut écrire la réaction ainsi : Cu2+ + 2e– Cu . On dit que le cuivre se réduit. C’est pourquoi la réaction globale s’appelle une réaction d’oxydoréduction : elle est constituée d’une oxydation et d’une réduction.

Ainsi, pour faire une pile avec ces deux composés, il faut séparer le cuivre du fer, afin de pouvoir « ré-cupérer » les électrons qui s’échangent entre Cu2+ et Fe, et créer ainsi un courant électrique. La pile est réalisée en associant deux demi-piles par un pont salin. L’une est constituée d’un récipient contenant une solution de sulfate de cuivre (CuSO4) dans laquelle trempe une lame de cuivre qui sert d’électrode. L’autre est constituée d’un récipient contenant une solution de sulfate de fer (FeSO4) dans laquelle trempe un clou ou une lame de fer.

Pont salin (rempli de NaCl) Lame de cuivreLame de fer

CathodeAnode

Solution de Cu2+Solution de Fe2+

Voltmètre

Dans cette partie de la pile, il y a l’oxydation du fer :

Fe Fe2+ + 2e–

Du fer métallique est « consommé » et se retrouve sous forme de ions Fe2+ dans la solution.

La lame de Fe se dissout.

Dans cette partie de la pile, il y a la réduction du cuivre :

Cu2+ + 2e– Cu

Des ions Cu2+ reçoivent des élec-trons et se retrouvent sous forme métallique sur la lame de cuivre.

La lame de Cu « grossit ».

Mais il ne se passe rien si l’on met une lamelle de cuivre dans une solution contenant du Fe2+.

Pas de réaction entre Fe2+ et Cu Réaction entre Cu2+ et Fe : on constate que le clou a noirci.Après 12 heures, on voit distinctement que du cuivre s’est déposé sur le clou.

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LES AUTRES TYPES DE PILE

Les piles sèches et les piles à combustible fonctionnent de la même manière, grâce à un échange d’électrons entre deux matériaux conducteurs. La différence essentielle est que les réactions ne se passent pas dans un liquide, mais dans des milieux pâteux ou directement dans des solides.Les piles sèches et les piles liquides sont les piles les plus courantes (dites piles classiques) alors que les piles à combustible, plus récentes, sont des piles qui commencent à apparaître dans les voitures électriques notamment.

Il y a une grande différence entre les piles classiques et les piles à combustible.

Dans une pile à combustible, au contraire, les matières premières sont introduites au fur et à mesure du fonctionnement. En principe, une telle pile peut donc fournir de l'énergie électrique aussi longtemps qu'on l'alimente en réactifs.

Dans une pile classique, les réactifs sont intro-duits en une fois, en quantité finie, lors de la fabri-cation. Lorsque ces réactifs sont épuisés, on rem-place la pile par une nouvelle. C’est le cas pour les « agro-piles » fabriquées dans le « bricotest ».

FabricationUsine

Electricité

Pile classique

Réactifs

ProduitsRecyclage

FabricationUsine

Electricité

Pile à combustible

Réactifs

ProduitsRecyclage

Comment stocker l’énergie fournie par les cellules solaires de la manière la plus efficace possible ? Quelles sont les solutions permettant de garantir la disponibilité en électricité dans les conditions difficiles de vol, de manière répétée, fiable et pour un maximum de cycles ?

STEFAN GEHRMANN, INGÉNIEUR EN AÉRONAUTIQUE, FONDATEUR DE AIR ENERGY

PORTRAIT

Diplômé en ingénierie aéronautique en Allemagne, Stefan Gehrmann a depuis fondé sa propre entre-prise de construction de batteries, Air Energy. En tant que CEO et fondateur, il s’occupe de concevoir et produire des batteries pour des prototypes dans des secteurs aussi variés que l’aviation, l’automo-bile ou des appareils sous-marins. Stefan a été contacté par Solar Impulse en 2002, avant la construc-tion du premier avion, car c’était un des rares producteurs de batteries en lithium d’Europe. Chaque batterie de l’avion solaire est constituée de cellules en lithium polymère. Les cellules, produites par une entreprise coréenne, sont assemblées et empaquetées par Air Energy avant d’être envoyées à Solar Impulse. Air Energy a aussi conçu et construit le système de gestion des batteries équipant les deux avions HB-SIA et HB-SIB. Conçu pour gérer le chargement et déchargement des batteries, c’est le système de communication entre les batteries et l’avion.Ce qui passionne Stefan dans son travail, c’est qu’il a l’occasion de s’occuper de projets très différents souvent à l’état de prototype. Cela demande beaucoup de flexibilité et de créativité pour faire face à de nouveaux défis et trouver des solutions pour des projets dont les objectifs et les besoins sont très différents.

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LES ACCUMULATEURS

Un accumulateur fonctionne comme une pile classique lorsqu’on le décharge pour produire de l’éner-gie électrique, celle-ci provenant de l’énergie chimique des réactifs, comme exposé plus haut.

Réaction d’oxydation à la borne négative : Fe Fe2+ + 2e– Réaction de réduction à la borne positive : 2 H2O + 2e– 2 OH– + H2

Remarque : au lieu de pommes de terre, on peut utiliser des fruits (citrons, oranges, etc.), des pots remplis de terreau humide, des légumes (des échalotes par exemple). L’intérieur des végétaux utilisés sert avant tout à fermer le circuit électrique (comme le pont salin dans les piles liquides), on peut donc en réalité en utiliser une très grande variété.

Bricotest : Fabrique une pile sèche simple à base de pommes de terre (« Agro-pile »)

Quand ces réactifs sont épuisés, on peut faire passer le courant en sens inverse à partir d’une source extérieure d’électricité. On observe alors la recharge de l’accumulateur au cours de la-quelle l’énergie électrique régénère les réactifs à partir des produits.

Contrairement à la pile, l’accumulateur peut donc effectuer la transformation électrochimique d’énergie dans les deux sens.

Fabrication Recyclage

Usine

ElectricitéElectricité

Accumulateur

déchargecharge Réactifs

Produits

Clou Clou Clou ClouCuivre Cuivre Cuivre Cuivre

LED, moteur ou multimètre

Matériel nécessaire

• 7 à 8 pommes de terre

• des clous

• du cuivre (lame ou pièce de 5 cts d’euro)

• des fils électriques

• des pinces crocodiles

• un multimètre

• une LED (diode) ou un petit moteur de faible puissance

Plante dans chaque pomme de terre le clou et le cuivre à 2 cm de distance. Le cuivre représente la borne + de la pile. Le fer (clou) représente la borne – de la pile. Si l’on branche une diode sur une seule pile pomme de terre, elle ne s’allume pas.

Il faut en brancher plusieurs (5 à 7) en série (c’est-à-dire à la queue leu-leu) pour espérer allumer une diode. Attention à bien respecter les polarités des piles, sinon cette agro-pile n’allumera pas la diode : le – d’une pile (clou) sur le + de la suivante (cuivre).

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Cet accumulateur comporte, dans un milieu acide, 2 électrodes de plomb, dont l’une est recouverte d’oxyde de plomb PbO2. De l’acide sulfurique H2SO4 est utilisé pour acidifier le milieu. C’est lui qui fournit les H+ nécessaires pour la réaction au pôle positif ci-dessous.

Au pôle négatif, la réaction suivante prend place lors de la décharge : Pb Pb2+ + 2e–

Au pôle positif, la réaction suivante se produit lors de la décharge : PbO2 + 4H+ + 2e– Pb2+ + 2H2OLa réaction naturelle entre ces 2 couples est : PbO2 + 4H+ + Pb 2Pb2+ + 2H2O Pour recharger la batterie, on fait passer du courant électrique dans le sens inverse, ce qui permet de régénérer les composants (PbO2 et Pb). Pour cela, on impose une tension aux bornes de l’accumula-teur supérieure à la tension générée par les réactions créant le courant.

Gaston Planté (1834 - 1889) est un physicien et inventeur français, principalement connu pour l’invention de l’accumulateur électrique (batterie au plomb).

Le premier accumulateur commercialisé fut inven-té par Gaston Planté en 1859. Il est aujourd’hui encore très couramment utilisé (entre autres dans les voitures).

PbPb recouvert de PbO2

CathodeAnode

SO42–

H+

Sens des électrons

Sens du courant

Oxydation

Pb2+ + 2H2O PbO2 + 4H+ + 2e–

Réduction

Pb2+ + 2e– Pb

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TECHNOLOGIE : FABRIQUE UNE PILE OU UN ACCUMULATEUR

LA PILE À COMBUSTIBLE SIMPLE : PILE LIQUIDE ALUMINIUM – AIR

Matériel nécessaire

• 60 g de NaCl (sel de cuisine)

• 300 ml d’eau

• 1 grande feuille d’aluminium ménager

• 1 grand morceau de papier ménage

• de la laine d’acier

• 1 récipient d’au moins 500 ml

• 1 multimètre

• 2 fils de cuivre isolés

• 2 trombones ou pinces crocodiles

Marche à suivre 1) Verse le sel dans le récipient et dissous le sel dans les 300 ml d’eau.2) Chiffonne la feuille d’aluminium en boule et perce-la de trous avec une fourchette, afin de pouvoir

chasser le maximum d’air de la boule d’aluminium.3) Fixe un fil électrique à l’aluminium grâce à la pince crocodile.4) Introduis l’aluminium dans le récipient et tasse-le au fond.5) Couvre complètement la feuille d’aluminium avec du papier ménage, afin de l’isoler de la couche

suivante qui sera en laine d’acier.6) Fixe un fil électrique à la laine d’acier grâce à la pince crocodile.7) Immerge complètement la laine d’acier dans la solution de sel.8) La pile à combustible est prête avec, comme combustible, l’oxygène de l’air. On peut mesurer la tension de la pile avec le multimètre.

LA PILE À COMBUSTIBLE SIMPLE: PILE SOLIDE ALUMINIUM – AIR

Matériel nécessaire

• 1 feuille d’aluminium ménager de 15 × 15 cm

• 1 morceau de papier ménage de 9 × 12 cm

• 5 à 6 mines de crayon de 2 mm de diamètre

• 1 pince métallique

• 1 brûleur à gaz

• 1 solution de NaCl saturée *

• 1 bécher de 50 ml ou un verre

• 1 multimètre

• 2 fils de cuivre isolés

• 2 trombones ou pinces crocodiles

* Le NaCl (chlorure de sodium) est le sel de cuisine. Pour préparer une solution saturée de sel de cuisine, verse le sel par petites quantités dans de l’eau chaude, si possible déminéralisée, et agite jusqu’à complète dissolution ; poursuis l’opération jusqu’à ce que le sel ajouté ne se dissolve plus dans la solution (saturation). Laisse reposer la solution jusqu’à température ambiante. C’est prêt. Il y aura peut-être du sel qui précipitera une fois la solution refroidie, car il est un peu moins soluble à froid qu’à chaud Cela correspond à un peu plus de 350 g/l de NaCl à 25°C.

Laine d’acier

SolutionNaCl

Papier ménage

Aluminium

Volt

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Marche à suivre 1) Entoure les extrémités de la pince avec de l’aluminium afin de bien saisir toutes les mines de crayon

en même temps.

2) Tiens les mines de crayon avec la pince et passe-les dans la flamme du brûleur. Chauffe-les à rouge durant 1 minute, puis laisse-les refroidir.

3) Maintiens les mines en un faisceau serré et entoure-les avec la bande de papier ménage. Laisse 1 à 2 cm de mine de crayon à l’air libre (côté non brûlé). Quand les mines sont entourées avec la moitié de la longueur du papier, replie la partie du papier

qui dépasse et finis l’enroulement.

4) Entoure le même faisceau de mines, cette fois avec la feuille d’aluminium. Laisser 1 cm de papier ménage non recouvert. Quand les mines sont entourées avec la moitié de la longueur de la feuille d’aluminium, replie la partie de la feuille qui dépasse et finis l’enroulement.

5) Immerge le paquet de mines ainsi enveloppées dans la solution de NaCl saturée afin d’imbiber complètement le papier ménage. Sors et égoutte.

6) Fixe un fil électrique à l’extrémité d’une des mines de crayon et un autre sur la feuille d’aluminium.La pile à combustible est prête avec, comme combustible, l’oxy-gène de l’air. Mesure la tension de la pile avec le multimètre.

Volt

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4) Branche une pile de 4,5 V pen-dant 5 minutes afin de charger l’accumulateur.

5) Branche maintenant un multi-mètre numérique aux bornes du montage et tu peux constater qu’une tension apparaît.

L’accumulateur a été chargé.

Marche à suivre

1) Découpe 10 à 15 formes (cercle, rectangle, etc.) dans la feuille de cuivre et le même nombre dans le buvard. Laisse dépasser sur deux des formes en cuivre une patte (une languette), afin d’y fixer la pince crocodile. Le cuivre est souvent recouvert d’un vernis protecteur, il faut donc nettoyer ces feuilles avec de la laine d’acier (ne pas employer des produits nettoyants, mais abrasifs).

2) Imbibe les papiers buvards avec une solution de NaCl saturée.

3) Fais un guide avec le sagex et les baguettes pour empiler les formes. Commence par une forme de cuivre dotée d’une patte, puis alterne cuivre et buvard. Termine avec la deuxième forme de cuivre pourvue d’une patte.L’accumulateur est prêt.

Pour avoir un bon contact entre les différents éléments, il faut mettre un poids sur l’empilement.

L’ACCUMULATEUR SIMPLE : PILE SECONDAIRE DE RITTER

Matériel nécessaire

• 1 solution de NaCl saturée *

• des feuilles de cuivre

• des feuilles de buvard

• du sagex (au moins 5 cm d’épaisseur)

• 4 baguettes de bois (pique pour brochette)

• 1 caillou ou 1 poids

• 1 bécher de 50 ml ou un verre

• 1 paire de ciseaux

• 1 pile plate de 4,5 V

• 1 multimètre

• 2 fils de cuivre isolés

• 2 trombones ou pinces crocodiles

* Le NaCl (chlorure de sodium) est le sel de cuisine. Pour préparer une solution saturée de sel de cuisine, verse le sel par petites quantités dans de l’eau chaude, si possible déminéralisée, et agite jusqu’à complète dissolution ; poursuis l’opération jusqu’à ce que le sel ajouté ne se dissolve plus dans la solution (saturation). Laisse reposer la solution jusqu’à température ambiante. C’est prêt. Il y aura peut-être du sel qui précipitera une fois la solution refroidie, car il est un peu moins soluble à froid qu’à chaud Cela correspond à un peu plus de 350 g/l de NaCl à 25°C.

Empilement des formesde cuivre et du buvarden alternance surle bloc de sagex

4 baguettes de bois servent à maintenirl’empilement en place

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L’ACCUMULATEUR SIMPLE : ACCUMULATEUR FER-NICKEL D’EDISON

Matériel nécessaire

• 1 solution NaOH 0,1 mol/l *

• 3 clous

• 1 pince coupante

• 1 pièce de nickel

• 1 sucre électrique (ou serre-fils ou domino électrique)

Marche à suivre

1) Fixe deux clous d’un côté du sucre. De l’autre, fixe la pince crocodile (il faudra certainement écraser le connecteur de la pince pour qu’il rentre dans le sucre) et un clou étêté grâce à la pince coupante.

Accroche le morceau de nickel avec la pince crocodile.

2) Plonge les électrodes ainsi mon-tées dans la solution de NaOH.

L’accumulateur est prêt.

3) Charge l’accumulateur, de 30 secondes à 1 minute, avec la borne + de la pile sur le clou au-quel est fixé la pièce de nickel.

4) Branche maintenant un multi-mètre numérique aux bornes du montage et tu peux constater qu’une tension apparaît.

L’accumulateur a été chargé.

* Le NaOH (hydroxyde de sodium) est la soude caustique. Pour avoir une solution de 0,1 mol/l, dissous 4 g de NaOH dans 1 l d’eau. ATTENTION : l’hydroxyde de sodium est très corrosif à l’état solide, les élèves ne doivent pas le manipuler ! Les élèves peuvent, par contre, manipuler la solution 0,1 mol/l.

• 1 bécher de 50 ml ou un verre

• 1 pile plate de 4,5 V

• 1 multimètre

• 2 fils de cuivre isolés

• 2 trombones ou pinces crocodiles

clou

sucre

clouétêté

solutionNaOH

clou

pincecrocodile

nickel