Karamö, le prof virtuelLeçon 19 sur 22
Le courant électrique dans les électrolytes
Je sais expliquer que, dans une solution conductrice, le courant est un double déplacement d'ions en sens opposés, et je nomme l'anode et la cathode.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir un électrolyte, une électrode, l'anode et la cathode
- Décrire et interpréter l'expérience de migration des ions
- Expliquer la nature du courant dans un électrolyte et le comparer au courant dans un métal
- Calculer le nombre d'ions qui arrivent à une électrode à partir de l'intensité
Avant de commencer : Conducteurs et isolants ; le courant dans les métaux (électrons libres, Q = I × t, e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C) ; les ions métalliques et leurs couleurs.
1Je découvre
Au laboratoire du collège, à Boké, le professeur plonge deux tiges de graphite dans un bécher d'eau distillée et les relie à une pile et à une lampe : la lampe reste éteinte. Il ajoute une cuillère de sel de cuisine et remue : la lampe s'allume. Il recommence avec du sucre à la place du sel : la lampe reste éteinte.
Fanta lève la main : « Monsieur, dans un fil de cuivre, ce sont les électrons libres qui transportent le courant. Mais dans l'eau salée, il n'y a pas de métal. Alors, qu'est-ce qui se déplace ? Et pourquoi le sucre ne fait-il rien ? »
Le professeur sourit et sort une plaque de verre, du papier filtre et deux petits cristaux, l'un bleu et l'autre violet : « Nous allons le voir de nos propres yeux. »
Qu'est-ce qui transporte le courant électrique dans une solution, et dans quel sens ?
2Je comprends
1. Électrolytes et électrodes
Un électrolyte est une substance qui, dissoute dans l'eau (ou fondue), donne un liquide conducteur du courant électrique. La solution obtenue s'appelle une solution électrolytique.
- Le sel (chlorure de sodium), le sulfate de cuivre, la soude, les acides sont des électrolytes.
- Le sucre, l'alcool ne sont pas des électrolytes : leur solution ne conduit pas.
Pour faire passer le courant dans une solution, on y plonge deux conducteurs solides, en graphite ou en métal, appelés électrodes. Le récipient, la solution et les électrodes forment un électrolyseur.
- L'anode est l'électrode reliée à la borne + du générateur.
- La cathode est l'électrode reliée à la borne − du générateur.
2. L'expérience de migration des ions
On pose sur une plaque de verre un papier filtre imbibé d'eau salée (pour qu'il conduise). Aux deux bouts, on place deux pinces métalliques reliées à un générateur de tension continue (environ 12 V à 20 V). Au milieu du papier, on dépose deux petits cristaux :
- un cristal de sulfate de cuivre, qui contient des ions Cu2+ (bleus) et des ions SO42- (incolores) ;
- un cristal de permanganate de potassium, qui contient des ions K^+ (incolores) et des ions MnO4^- (violets).
On ferme le circuit. Au bout de quelques minutes, on observe :
- une tache bleue qui s'étale vers la cathode (borne −) ;
- une tache violette qui s'étale vers l'anode (borne +).
Sans courant, les taches s'étalent seulement un peu, de façon égale dans toutes les directions.
Interprétation. La couleur bleue est celle de l'ion Cu2+, un ion positif : il est attiré par l'électrode négative, la cathode. La couleur violette est celle de l'ion MnO4^-, un ion négatif : il est attiré par l'électrode positive, l'anode. Les ions incolores migrent aussi, mais on ne les voit pas.
- les cations (ions positifs)
- Cu²⁺ : tache bleue
- Na⁺, K⁺, Zn²⁺, H⁺
- dans le sens conventionnel du courant
- les anions (ions négatifs)
- MnO₄⁻ : tache violette
- Cl⁻, SO₄²⁻, OH⁻, NO₃⁻
- en sens inverse du courant
3. La nature du courant dans un électrolyte
Dans une solution électrolytique, le courant électrique est dû à un double déplacement d'ions en sens opposés :
- les cations (ions positifs) se déplacent vers la cathode, dans le sens conventionnel du courant ;
- les anions (ions négatifs) se déplacent vers l'anode, en sens inverse du courant.
Un moyen de s'en souvenir : les cations vont à la cathode.
L'eau sucrée ne conduit pas, car le sucre se dissout sous forme de molécules neutres : aucune charge ne peut se déplacer. L'eau pure non plus, car elle ne contient presque pas d'ions.
4. Métaux et électrolytes : deux conductions différentes
Dans un circuit comprenant un électrolyseur, le courant est transporté :
- par les électrons dans les fils métalliques et les électrodes ;
- par les ions dans la solution.
À la surface des électrodes, le relais se fait par des réactions chimiques : des ions (ou des molécules d'eau) gagnent ou perdent des électrons. C'est pour cela qu'on observe des dépôts, des bulles de gaz ou des changements de couleur au niveau des électrodes. Ce phénomène s'appelle l'électrolyse : tu l'étudieras dans les deux prochaines leçons.
| Conducteur métallique | Solution électrolytique | |
|---|---|---|
| Porteurs de charge | électrons libres | cations et anions |
| Sens de déplacement | un seul sens (de − vers + hors du générateur) | deux sens opposés |
| Transformation chimique | aucune | oui, aux électrodes (électrolyse) |
| Exemples | fil de cuivre, clou | eau salée, jus de citron, sulfate de cuivre dissous |
5. Ce qui fait varier la conduction
Une solution conduit mieux quand :
- elle contient plus d'ions (on ajoute plus de sel : la lampe brille davantage) ;
- elle est plus chaude (les ions se déplacent plus facilement) ;
- les électrodes sont plus grandes et plus proches l'une de l'autre.
Méthode
Pour interpréter une expérience de conduction dans une solution :
- Je repère l'anode (reliée à +) et la cathode (reliée à −).
- J'écris les ions présents dans la solution, avec leurs charges.
- J'envoie les cations vers la cathode et les anions vers l'anode.
- Je relie les couleurs observées aux ions colorés (Cu²⁺ bleu, MnO₄⁻ violet…).
- Je conclus : le courant est un double déplacement d'ions en sens opposés.
Exemple
On fait passer un courant dans une solution de chlorure de cuivre CuCl₂ (bleue). Vers quelle électrode se déplace chaque ion ?
La solution contient des ions Cu²⁺ et des ions Cl⁻ (deux Cl⁻ pour un Cu²⁺).
Les ions Cu²⁺, positifs, vont vers la cathode (borne −) : la couleur bleue se rapproche de la cathode.
Les ions Cl⁻, négatifs, vont vers l'anode (borne +).
6. Compter les ions qui arrivent à une électrode
Chaque ion Cu2+ porte une charge égale à 2e. Si une quantité d'électricité Q est transportée uniquement par ces ions jusqu'à la cathode, leur nombre vaut :
n = Q2e, avec Q = I × t et e = 1,6 × 10-19 C.
Exemple
Un électrolyseur contenant une solution de sulfate de cuivre est traversé par un courant de 0,5 A pendant 10 minutes. On admet que ce sont des ions Cu²⁺ qui apportent toute la charge à la cathode. Combien d'ions Cu²⁺ y arrivent ?
t = 10 × 60 = 600 s ; Q = I × t = 0,5 × 600 = 300 C.
Charge d'un ion Cu²⁺ : 2 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 3,2 × 10⁻¹⁹ C.
n = 300 ÷ (3,2 × 10⁻¹⁹) = 93,75 × 10¹⁹ ≈ 9,4 × 10²⁰ ions.
3Je retiens
Je retiens
Un électrolyte est une substance dont la solution conduit le courant (sel, sulfate de cuivre, acides, bases). Le sucre n'en est pas un.
Anode : électrode reliée à la borne + ; cathode : électrode reliée à la borne −.
Dans une solution, le courant est un double déplacement d'ions en sens opposés : cations vers la cathode, anions vers l'anode.
Dans les fils, ce sont les électrons qui circulent ; aux électrodes ont lieu des réactions chimiques (électrolyse).
Une solution conduit mieux si elle contient plus d'ions ou si elle est plus chaude.
Q = I × t ; un ion de charge 2+ transporte 2e = 3,2 × 10⁻¹⁹ C.
4Erreurs fréquentes
- Croire que les électrons traversent la solution : dans l'électrolyte, ce sont les ions qui se déplacent ; les électrons circulent seulement dans les fils et les électrodes.
- Inverser anode et cathode : l'anode est reliée au +, la cathode au −. Les cations vont à la cathode.
- Penser que tous les ions vont dans le même sens : les cations et les anions se déplacent en sens opposés.
- Croire que toute substance dissoute rend l'eau conductrice : le sucre donne des molécules neutres, pas d'ions.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Définis : a) électrolyte ; b) anode ; c) cathode.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Un électrolyte est une substance qui, dissoute dans l'eau (ou fondue), donne un liquide conducteur du courant électrique.
b) L'anode est l'électrode reliée à la borne + du générateur.
c) La cathode est l'électrode reliée à la borne − du générateur.
2Exercice 2
Classe les substances suivantes en électrolytes et non-électrolytes : sel de cuisine, sucre, soude, sulfate de cuivre, alcool, acide chlorhydrique.
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Électrolytes : sel de cuisine, soude, sulfate de cuivre, acide chlorhydrique.
Non-électrolytes : sucre, alcool.
3Exercice 3
Une solution contient des ions Zn2+ et SO42-. On y plonge deux électrodes reliées à un générateur.
a) Vers quelle électrode se déplacent les ions Zn2+ ? les ions SO42- ?
b) Qui transporte le courant dans les fils de connexion ?
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a) Les ions Zn2+, positifs, vont vers la cathode (borne −). Les ions SO42-, négatifs, vont vers l'anode (borne +).
b) Dans les fils, ce sont les électrons libres du métal qui transportent le courant.
4Exercice 4
Compare, dans un tableau, le courant dans un fil de cuivre et le courant dans une solution de sel : porteurs de charge, sens de déplacement, transformation chimique.
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| Fil de cuivre | Solution de sel | |
|---|---|---|
| Porteurs de charge | électrons libres | ions Na^+ et Cl^- |
| Sens | un seul sens (de − vers + hors du générateur) | Na^+ vers la cathode, Cl^- vers l'anode |
| Transformation chimique | aucune | oui, aux électrodes |
5Exercice 5
(Type BEPC) Ibrahima réalise l'expérience de migration des ions avec un cristal de sulfate de cuivre et un cristal de permanganate de potassium, déposés au centre d'un papier filtre imbibé d'eau salée.
a) Faut-il imbiber le papier d'eau distillée ou d'eau salée ? Pourquoi ?
b) Au bout de dix minutes, la tache bleue s'est déplacée vers la pince de gauche. Cette pince est-elle reliée à la borne + ou à la borne − du générateur ? Justifie.
c) Vers quelle pince se déplace la tache violette ? Quel ion en est responsable ?
d) Le courant a une intensité de 20 mA et dure 10 min. Calcule la quantité d'électricité transportée.
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a) D'eau salée : l'eau distillée est pratiquement isolante ; les ions du sel permettent au courant de passer dans le papier.
b) La tache bleue est due aux ions Cu2+, positifs : ils vont vers la cathode. La pince de gauche est donc reliée à la borne −.
c) La tache violette va vers la pince de droite (l'anode, reliée à la borne +). Elle est due à l'ion permanganate MnO4^-, négatif.
d) I = 20 mA = 0,02 A ; t = 10 × 60 = 600 s ; Q = 0,02 × 600 = 12 C.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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