Karamö, le prof virtuelLeçon 22 sur 26
Les générateurs électrochimiques
Je sais expliquer comment une pile ou un accumulateur transforme de l'énergie chimique en énergie électrique, et utiliser sa force électromotrice et sa capacité.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir un générateur électrochimique et nommer ses constituants
- Relier les pôles d'une pile à l'oxydation et à la réduction
- Distinguer pile et accumulateur et citer des exemples
- Utiliser la force électromotrice, la capacité (Q = I × t) et l'association en série
Avant de commencer : L'oxydoréduction (oxydant, réducteur, transfert d'électrons), les ions en solution, la notion de tension et d'intensité (physique).
1Je découvre
À Faranah, les coupures d'électricité sont fréquentes le soir. Chez Aïssatou, on s'organise : la lampe torche marche avec trois piles rondes, la radio du grand-père avec quatre grosses piles, le téléphone de sa mère avec une batterie que l'on recharge au kiosque du quartier, équipé d'un panneau solaire et d'une grosse batterie de voiture.
Aïssatou remarque que les piles de la torche finissent par être « mortes » et qu'on les jette, alors que la batterie du téléphone se recharge des centaines de fois. Elle se souvient aussi de la leçon d'oxydoréduction : quand on plonge du zinc dans une solution de sulfate de cuivre, des électrons passent du zinc aux ions cuivre, mais on n'obtient que de la chaleur, aucun courant.
Alors, comment ces petits objets sans fil, ni prise, ni moteur produisent-ils un courant électrique ?
Qu'est-ce qu'un générateur électrochimique, comment fonctionne-t-il, et quelles grandeurs permettent de le choisir ?
2Je comprends
1. Définition
Un générateur électrochimique est un dispositif qui transforme de l'énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction d'oxydoréduction.
L'idée clé est la suivante : dans une réaction d'oxydoréduction directe (zinc dans une solution d'ions cuivre), les électrons passent directement du réducteur à l'oxydant, au contact, et l'énergie est perdue en chaleur. Dans un générateur, on sépare le réducteur et l'oxydant : les électrons sont obligés de passer par un fil extérieur, et ce déplacement d'électrons est un courant électrique.
- réducteur et oxydant en contact
- électrons transférés directement
- énergie libérée en chaleur
- aucun courant utilisable
- réducteur et oxydant séparés
- électrons obligés de passer par le circuit extérieur
- énergie libérée sous forme électrique
- courant qui allume une lampe, fait tourner un moteur
2. Constitution et fonctionnement
Tout générateur électrochimique comporte :
- deux électrodes, deux conducteurs électroniques différents (métaux, graphite) ;
- un électrolyte, solution ou pâte contenant des ions, qui assure le passage du courant à l'intérieur du générateur.
Le pôle négatif est l'électrode où se produit l'oxydation : le réducteur y perd des électrons, qui partent dans le fil extérieur. Exemple : Zn → Zn2+ + 2e^-.
Le pôle positif est l'électrode où se produit la réduction : les électrons qui arrivent par le fil sont captés par l'oxydant. Exemple : Cu2+ + 2e^- → Cu.
Le sens du courant. À l'extérieur du générateur, les électrons circulent du pôle − vers le pôle + ; le sens conventionnel du courant est l'inverse : du pôle + vers le pôle −. À l'intérieur, ce sont les ions de l'électrolyte qui se déplacent et ferment le circuit.
- 1Au pôle négatif, le réducteur s'oxyde et libère des électrons (exemple : Zn → Zn²⁺ + 2e⁻).
- 2Les électrons traversent le circuit extérieur (fil, lampe) du pôle − vers le pôle +.
- 3Au pôle positif, l'oxydant capte ces électrons et se réduit (exemple : Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu).
- 4Dans l'électrolyte, les ions se déplacent et ferment le circuit.
- 5Quand le réducteur ou l'oxydant est épuisé, la réaction s'arrête : la pile est usée.
Moyen mnémotechnique : Oxydation au pôle négatif, Réduction au pôle positif ; les électrons « sortent » par le − .
3. Les caractéristiques d'un générateur
La force électromotrice (f.é.m.), notée E, en volts (V). C'est la tension entre les bornes du générateur quand il ne débite aucun courant (circuit ouvert). On la mesure avec un voltmètre branché directement aux bornes. Elle dépend des couples oxydant/réducteur utilisés, pas de la taille de la pile : une petite pile et une grosse pile de même type ont la même f.é.m.
La résistance interne, notée r, en ohms (Ω). Quand le générateur débite un courant d'intensité I, la tension à ses bornes diminue un peu :
U = E - rI
La capacité, notée Q. C'est la quantité d'électricité que le générateur peut débiter avant d'être épuisé :
Q = I × t
Elle s'exprime en coulombs (C) avec I en ampères et t en secondes, mais on utilise souvent l'ampère-heure (A·h) ou le milliampère-heure (mA·h) : 1 A·h = 3 600 C. La capacité, elle, dépend de la quantité de réactifs : une grosse pile dure plus longtemps qu'une petite pile de même type.
Tensions nominales de quelques générateurs courants :
4. Piles et accumulateurs
| Pile (générateur primaire) | Accumulateur (générateur secondaire) | |
|---|---|---|
| Recharge | impossible | possible, des centaines de fois |
| Pourquoi | la réaction ne peut pas être inversée correctement | un générateur extérieur peut inverser la réaction |
| Exemples | pile saline, pile alcaline, pile bouton au lithium | batterie au plomb (voiture, moto, solaire), batterie lithium-ion (téléphone) |
Pendant la recharge, un chargeur fait circuler le courant en sens inverse : la réaction chimique est inversée et les réactifs sont régénérés. L'énergie électrique est alors stockée sous forme chimique.
La batterie de 12 V des voitures est un accumulateur au plomb formé de 6 éléments de 2 V placés en série. C'est ce type de batterie qui stocke l'énergie des panneaux solaires dans beaucoup de villages et de kiosques de recharge en Guinée.
5. Associer des générateurs en série
Pour obtenir une tension plus grande, on branche des piles en série : le pôle + de l'une relié au pôle − de la suivante. La f.é.m. de l'ensemble est la somme des f.é.m. : E = E1 + E2 + E3 + …
Exemple : la lampe torche d'Aïssatou contient 3 piles de 1,5 V en série : E = 3 × 1,5 = 4,5 V. Si une pile est mise à l'envers, sa f.é.m. se retranche et la lampe éclaire mal.
Méthode
Pour résoudre un exercice sur un générateur :
- J'identifie les pôles : oxydation au pôle −, réduction au pôle +.
- Pour une association en série, j'additionne les f.é.m. (et les résistances internes).
- Pour la tension en fonctionnement, j'utilise U = E − rI.
- Pour la durée de fonctionnement, j'utilise t = Q / I en gardant des unités cohérentes (A·h et A donnent des heures).
- Je vérifie les unités et la vraisemblance du résultat.
Exemple
Une pile plate de f.é.m. E = 4,5 V et de résistance interne r = 1,5 Ω alimente une lampe. L'intensité du courant est I = 0,3 A. Quelle est la tension aux bornes de la pile ?
U = E − rI = 4,5 − 1,5 × 0,3 = 4,5 − 0,45 = 4,05 V.
La tension est un peu plus faible que la f.é.m., à cause de la résistance interne.
Exemple
Une batterie de téléphone porte les indications 3,7 V et 4 000 mA·h. Le téléphone consomme en moyenne 250 mA. Combien de temps fonctionne-t-il ? Quelle énergie la batterie stocke-t-elle ?
Durée : t = Q / I = 4 000 mA·h / 250 mA = 16 h.
Capacité en coulombs : Q = 4 A·h = 4 × 3 600 = 14 400 C.
Énergie : W = U × Q = 3,7 × 14 400 = 53 280 J (soit 3,7 × 4 = 14,8 W·h).
6. Piles et environnement
Les piles et les batteries contiennent des métaux (zinc, manganèse, plomb, lithium…) et des électrolytes corrosifs. Il ne faut jamais les brûler, ni les jeter dans les caniveaux ou les rivières, ni recharger une pile non rechargeable (elle peut couler ou éclater). On les rapporte, quand c'est possible, dans un point de collecte ; les batteries au plomb usagées se recyclent.
3Je retiens
Je retiens
Un générateur électrochimique transforme l'énergie chimique en énergie électrique par une réaction d'oxydoréduction.
Il contient deux électrodes différentes et un électrolyte ; l'oxydant et le réducteur sont séparés.
Pôle − : oxydation (perte d'électrons) ; pôle + : réduction (gain d'électrons).
À l'extérieur, les électrons vont du − vers le + ; le courant conventionnel va du + vers le −.
f.é.m. E : tension à vide, dépend des couples chimiques ; U = E − rI en fonctionnement.
Capacité : Q = I × t (1 A·h = 3 600 C) ; elle dépend de la quantité de réactifs.
Pile : non rechargeable ; accumulateur : rechargeable (plomb 2 V par élément, lithium-ion).
En série, les f.é.m. s'additionnent.
4Erreurs fréquentes
- Croire que le courant « sort » de la pile par le pôle − : ce sont les électrons qui sortent par le −, le courant conventionnel sort par le +.
- Inverser oxydation et réduction : le pôle négatif est celui où le métal s'oxyde et envoie des électrons dans le fil.
- Penser qu'une grosse pile a une plus grande tension qu'une petite : la tension est la même (1,5 V), seule la capacité change.
- Mélanger les unités dans Q = I × t : mA·h divisé par mA donne des heures, A·h multiplié par 3 600 donne des coulombs.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie et complète : un générateur électrochimique transforme l'énergie … en énergie … . Au pôle négatif se produit une …, au pôle positif une … . À l'extérieur de la pile, les électrons circulent du pôle … vers le pôle … .
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Un générateur électrochimique transforme l'énergie chimique en énergie électrique. Au pôle négatif se produit une oxydation, au pôle positif une réduction. À l'extérieur de la pile, les électrons circulent du pôle négatif vers le pôle positif.
2Exercice 2
Classe en piles ou en accumulateurs : batterie de voiture ; pile de lampe torche ; batterie de téléphone ; pile bouton de montre. Justifie la différence en une phrase.
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Accumulateurs : batterie de voiture, batterie de téléphone. Piles : pile de lampe torche, pile bouton de montre. Un accumulateur se recharge car sa réaction chimique peut être inversée par un chargeur ; une pile ne se recharge pas.
3Exercice 3
Une radio fonctionne avec 4 piles de 1,5 V en série.
a) Quelle est la f.é.m. de l'ensemble ?
b) Un élève place une des piles à l'envers. Quelle est alors la f.é.m. de l'ensemble ?
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a) E = 4 × 1,5 = 6 V.
b) La pile inversée retranche sa f.é.m. : E = 1,5 + 1,5 + 1,5 - 1,5 = 3 V. La radio fonctionne mal ou pas du tout.
4Exercice 4
Une pile de capacité 2 400 mA·h alimente une lampe qui consomme 0,2 A.
a) Calcule la durée de fonctionnement en heures.
b) Calcule la capacité en coulombs.
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a) I = 0,2 A = 200 mA ; t = QI = 2 400200 = 12 h.
b) Q = 2,4 A·h = 2,4 × 3 600 = 8 640 C.
5Exercice 5
(Type BEPC) Dans un générateur, une lame de zinc et une lame de cuivre sont reliées par un fil à une petite lampe. On observe que la lame de zinc s'use et qu'un dépôt de cuivre se forme sur la lame de cuivre.
a) Écris les demi-équations des réactions aux deux électrodes, puis l'équation-bilan.
b) Indique la polarité de chaque électrode et justifie.
c) Indique sur un schéma légendé (ou par une phrase) le sens des électrons et le sens du courant dans le fil.
d) La f.é.m. vaut E = 1,1 V et la résistance interne r = 2 Ω. Calcule la tension aux bornes du générateur quand il débite I = 0,15 A.
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a) Lame de zinc : Zn → Zn2+ + 2e^- (oxydation). Lame de cuivre : Cu2+ + 2e^- → Cu (réduction). Bilan : Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu.
b) Le zinc s'oxyde et envoie des électrons dans le fil : c'est le pôle négatif. Le cuivre reçoit les électrons qui réduisent les ions Cu2+ : c'est le pôle positif.
c) Dans le fil, les électrons vont de la lame de zinc vers la lame de cuivre, en passant par la lampe. Le courant conventionnel va en sens inverse : de la lame de cuivre (+) vers la lame de zinc (−) dans le circuit extérieur.
d) U = E - rI = 1,1 - 2 × 0,15 = 1,1 - 0,3 = 0,8 V.
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6Je vérifie
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