L'énergie chimique et électrochimique

I. Le courant électrique dans les solutions

1. Les solutions ioniques sont conductrices

• L'eau pure, l'eau sucrée ou l'huile contiennent des molécules : ce ne sont pas des solutions conductrices.

• En revanche, les solutions qui contiennent des ions (solutions ioniques) sont conductrices.

• Exemple : eau salée, solution de sulfate de cuivre, vinaigre, soude, etc.

• Conclusion : les solutions aqueuses doivent contenir des ions (particules chargées) pour être conductrices. Les solutions qui ne contiennent que des molécules ne sont pas conductrices.

2. Nature d'une solution ionique

• On réalise l'expérience suivante :

• Les ions cuivre $Cu^{2+}$, de couleur bleue, se sont déplacés dans le sens du courant, vers la borne $\textcolor{blue}{-}$ du générateur.

• Les ions permanganate $MnO_{4}^{-}$, de couleur violette, se sont déplacés dans le sens opposé à celui du courant, vers la borne $\textcolor{red}{+}$.

• Conclusion :

  $\circ\quad$ Dans les solutions aqueuses, le courant électrique est dû à un déplacement d'ions.

  $\circ\quad$ Les ions positifs (= cations) se déplacent dans le sens du courant (vers la borne $\textcolor{blue}{-}$) et les ions négatifs (=anions) dans le sens contraire (vers la borne $\textcolor{red}{+}$).

3. Schéma récapitulatif

II. Une réaction chimique produit de l'énergie

• Expérience :

  $\circ\quad$ On introduit une solution de sulfate de cuivre $(Cu^{2+} + SO_4^{2-})$ dans un tube à essai et on relève la température ;

  $\circ\quad$ Puis, on introduit dans ce tube de la poudre de zinc ($Zn$) et on agite. On relève de nouveau la température.

• Observations :

  $\circ\quad$ La couleur bleue disparaît ;

  $\circ\quad$ Un dépôt rougeâtre se forme sur la poudre de zinc ;

  $\circ\quad$ La température de la solution augmente.

• Interprétation :

  $\circ\quad$ Des ions cuivre (II) - $Cu^{2+}$ - ont été consommés ;

  $\circ\quad$ Du métal cuivre -$Cu$ - s'est formé ;

  $\circ\quad$ Des ions zinc (II) - $Zn^{2+}$ - se sont formés car si on ajoute de la soude (= solution d'hydroxyde de sodium) à la solution finale, il se forme un précipité blanc ;

  $\circ\quad$ La température augmente lors de la réaction, donc de l'énergie thermique est libérée.

• Conclusion :

  $\circ\quad$ Le sulfate de cuivre réagit avec le zinc : l'ensemble des réactifs possède de l'énergie chimique ;

  $\circ\quad$ Lors de la transformation chimique, une partie de cette énergie est transférée à l'extérieur sous forme d'énergie thermique.

III. Fabrication et étude d'une pile

• Expérience :

  $\circ\quad$ On plonge deux lames métalliques (électrodes), l'une en cuivre et l'autre en zinc, dans un bécher contenant une solution de sulfate de cuivre ;

  $\circ\quad$ On relie les deux électrodes à un voltmètre ;

  $\circ\quad$ On mesure ensuite l'intensité du courant débité par la pile, après avoir inséré une résistance dans le circuit.

• Observation :

  $\circ\quad$ Le voltmètre indique une tension d'environ $1~V$ lorsque sa borne $V$ est reliée à l'électrode de cuivre ;

  $\circ\quad$ L'ampèremètre indique une intensité d'environ $50~mA$ ;

  $\circ\quad$ L'électrode de zinc est rongée et du métal cuivre se dépose sur l'électrode de cuivre ;

  $\circ\quad$ La solution se décolore.

• Interprétation :

  $\circ\quad$ L'électrode de cuivre constitue l'électrode positive de la pile et l'électrode de zinc constitue la borne négative ;

  $\circ\quad$ La pile s'use :

  $\Longrightarrow$ Du métal zinc disparaît et des ions Zn$^{2+}$ apparaissent ;

  $\Longrightarrow$ Des ions Cu$^{2+}$ disparaissent et du métal cuivre se dépose sur l'électrode de cuivre.

• Conclusion :

  $\circ\quad$ Une pile électrochimique est constituée de deux électrodes de natures différentes, généralement métalliques, plongeant dans une solution conductrice ;

  $\circ\quad$ Lorsque la pile fonctionne, il se produit une transformation chimique (celle du paragraphe précédent) ;

  $\circ\quad$ Une partie de l'énergie chimique des réactifs est convertie en énergie électrique et une autre partie est transférée à l'extérieur sous forme d'énergie thermique ;

  $\circ\quad$ La consommation des réactifs entraîne « l'usure » de la pile.