Transcript Une pile

Transport
Mise en mouvement
Programme Term STI2D/Term STL
23 Mai 2012
S.CALLEA
Lycée Gay-Lussac
Programme de Terminale STI2D et Terminale STL
Mise en mouvement
Notions et contenus
Capacités exigibles
Transformation chimique et
transfert d’énergie sous
forme électrique.
Piles, accumulateurs, piles
à combustible
 Citer les caractéristiques des piles et leurs
évolutions technologiques.
 Identifier l’oxydant et le réducteur mis en jeu
dans une pile à partir de la polarité de la pile ou
des couples oxydant/réducteur.
 Ecrire les équations des réactions aux
électrodes.
 Expliquer le fonctionnement d’une pile, d’un
accumulateur, d’une pile à combustible.
 Utiliser le modèle de la réaction pour prévoir la
quantité d’électricité totale disponible dans une
pile.
Associer charge et décharge d’un accumulateur
à des transferts et conversion d’énergie.
Définir les conditions d’utilisation optimales d’une
batterie d’accumulateurs : l’énergie disponible, le
courant de charge optimum et le courant de
décharge maximal.
Evolution historique des piles
1780 - 1800
1800
Pile Volta :
A. Volta invente la première pile
produisant un courant continu
en réalisant un empilement de
rondelles alternativement de
cuivre, de zinc, de cartons
imbibés d’eau salée.
1859
Accumulateur de Gaston Planté :
Gaston Planté utilise des électrodes en plomb
plongées dans l’acide sulfurique. Il peut ainsi
recharger aisément un système capable de
stocker l’énergie électrique
L.Galvani observe que des cuisses de grenouilles
fixées à des fils de cuivre soubresautent dès que le
cuivre est en contact avec du fer.
1836
Pile Daniell :
J.Daniell invente la pile Daniell avec un
compartiment contenant une électrode de cuivre
plongeant dans une solution de sulfate de cuivre
et dans un autre compartiment du zinc plongeant
dans une solution de sulfate de zinc.
1867
Pile Leclanché ou pile saline :
Piles encore utilisées en
zinc/charbon. L’électrolyte
est
du
chlorure
d’ammonium
autrefois
appelés sel.
Evolution historique des piles
1977
Pile au Lithium :
Piles dites plates utilisées dans les appareils ne
consommant pas beaucoup de courant mais
dont l’autonomie doit être grande.
Avenir ?
Pile à combustible :
Découverte dès 1840 par Sir H.Davy. Il faut
attendre le développement de l’aérospatiale
(missions Apollo) pour voir le développement
de ces piles.
A partir de dihydrogène et de dioxygène, il y a
formation d’eau et simultanément apparition
d’un courant électrique.
Intérêt des piles et des accumulateurs
Pourquoi des piles ou des accumulateurs ?
 Le stockage de l’énergie électrique n’est pas possible
directement.
Nécessité de transformer l’énergie électrique en une autre
forme d’énergie qui pourra par la suite restituer l’énergie
électrique.
 Une des voies de stockage de l’énergie électrique est l’énergie
chimique.
 Piles et accumulateurs permettent également une autonomie
de certains appareils.
Description d’une pile
 Une pile : générateur électrochimique permettant de transformer
l’énergie chimique en énergie électrique.
Exemple : Pile Daniell
2 couples Oxy/Red mis en
jeu avec 2 conducteurs
(souvent les réducteurs)
Une solution ionique (appelée
électrolyte)
assure
la
conduction électrique
Echange d’électrons
Courant électrique
Couple
Ox1/red1
Couple
Ox2/red2
Pas d’échange direct d’électrons entre les
couples
Différences et analogies entre pile et accumulateur
Pile

Accumulateur
 Stockage d’énergie sous
forme chimique
 Stockage d’énergie sous
forme chimique
Générateur
d’énergie
électrique et de courant
continu
Générateur
d’énergie
électrique et de courant
continu
Quand l’un des réactifs
est épuisé, la pile est
inutilisable
 Pas de possibilité de
recharge.
Possibilité de recharge
en le branchant à une
source d’énergie.
Fonctionnement d’une pile
Identifier l’oxydant et le réducteur mis en jeu dans une pile à
partir de la polarité de la pile.
 Ecrire les équations des réactions aux électrodes.
Méthode :
Ecrire les couples de la
bornes + et – sous la forme
Ox/red
Borne - : Zn2+/Zn
Borne + : Cu2+/Cu
 Vu la polarité de la pile,
prévoir
le
sens
de
circulation des électrons et
du courant
eI
Fonctionnement d’une pile
Identifier l’oxydant et le réducteur mis en jeu dans une pile à
partir de la polarité de la pile.
 Ecrire les équations des réactions aux électrodes.
Réactions aux électrodes :
 L ’électrode qui reçoit les électrons
doit les consommer, elle est le siège
d’une réduction : Ox + ne- = Red
Ex: Cu2+ + 2e- = Cu(s)
Cu2+ : oxydant intervenant
 L’électrode dont partent les
électrons doit les former, elle est le
siège d’une oxydation :
Red = Ox + neEx: Zn(s) = Zn2+ + 2e Zn : réducteur intervenant
Equation de la réaction globale de fonctionnement de la pile :
On supprime les électrons par combinaison linéaire soit :
Cu2+ + Zn(s)  Cu(s) + Zn2+
Fonctionnement d’un accumulateur
Décharge d’un accumulateur  Accumulateur = Générateur
-
 Couples intervenant :
PbO2/PbSO4 et PbSO4/Pb
+
Pb
PbO2
PbSO4
PbSO4
2H+ + SO42-
 Vu la polarité de la pile, prévoir le sens de circulation des électrons et du courant
e-
e-
I
I
eI
Pb
PbO2
PbSO4
PbSO4
2H+ + SO42-
Fonctionnement d’un accumulateur
 Réactions aux électrodes :
 L ’électrode qui reçoit les électrons  réduction : Ox + ne- = Red
Soit : PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e- = PbSO4(s) + 2H2O
 PbO2 : oxydant intervenant
 L’électrode dont partent les électrons  oxydation : Red = Ox + neSoit : Pb(s) + SO42- = PbSO4(s) + 2e Pb(s) : réducteur intervenant
-
e
I
I
e-
ePb
e-
PbSO4
PbO2
PbSO4
PbSO4
2H+ + SO42-
 Equation de la
réaction globale de
fonctionnement de la
pile :
Pb(s) + PbO2 + 2SO42- +
4H+  2PbSO4(s) +
2H2O
Fonctionnement d’un accumulateur
Charge d’un accumulateur  Accumulateur = Récepteur
G
 Couples intervenant :
PbO2/PbSO4 et PbSO4/Pb
Pb
PbO2
PbSO4
PbSO4
2H+ + SO42-
 Le générateur impose le sens de courant ou le sens de circulation
I
des électrons.
G
I
-
e-
e
eI
Pb
PbO2
PbSO4
PbSO4
2H+ + SO42-
Fonctionnement d’un accumulateur
 Réactions aux électrodes :
 L ’électrode qui reçoit les électrons  réduction : Ox + ne- = Red
Soit : PbSO4(s) + 2e- = Pb(s) + SO42 PbSO4 : oxydant intervenant
 L’électrode dont partent les électrons  oxydation : Red = Ox + neSoit : PbSO4(s) + 2H2O = PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e PbSO4(s) : réducteur intervenant
I
G
I
e-
e-
e-
e-
Pb
PbO2
PbSO4
PbSO4
2H+ + SO42-
 Equation de la
réaction globale de
fonctionnement de la
pile :
2PbSO4(s) + 2H2O 
Pb(s) + PbO2 + 2SO42- +
4H+
Transfert d’énergie électrique
Pile
Accumulateur
Accumulateur
Décharge
de la pile
Récepteur
électrique
Décharge
Récepteur
électrique
Charge
Générateur
électrique
Fonctionnement d’une pile à combustible
H2 = 2H+ + 2e-
O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O
2H2 + O2 = 2H2O
Caractéristiques d’une pile
On distingue pour une pile :
 Force électromotrice (fem) ou tension à vide :
Quand I = 0 (circuit ouvert), fem = V+ - VUnité : V
Quand la pile débite, cette différence de tension varie.
Caractéristiques d’une pile
 Capacité disponible : quantité d’électricité disponible Q
est la quantité maximale d’électrons pouvant circuler
 On cherche le réactif limitant de la pile
 On cherche la relation :
n e n lim i tan t

 e  lim i tan t
 On obtient quantité maximale l’électrons pouvant être
n lim i tan t
échangés par : n e   e .
 lim i tan t
 Q = ne.F (F : constante de Faraday C.mol-1,
F = 96500 C.mol-1)
 Autres expression de la capacité disponible si I = const :
Q = I.t avec I : courant en A
t : durée d’utilisation maximale théorique en s
Unités de Q : C ou Ah avec 1 Ah = 3600 C
Caractéristiques d’une pile
 Durée de fonctionnement d’une pile :
t = Q/I
Unité : s
Caractéristiques d’une pile
 Energie disponible W ou capacité énergétique : énergie
que le système électrochimique peut délivrer W = Qmax.E
Unité :
W = Qmax.E
ou
W = Qmax.E
J
C
V
Wh
Ah
V
Energie volumique, énergie massique :
 L’énergie volumique d’une pile est l’énergie que cette pile
peut fournir par unité de volume.
Unité : Wh.cm-3 avec 1 Wh = 3600 J
L’énergie massique d’une pile est l’énergie que cette pile
peut fournir par unité de masse.
Unité : Wh.kg-1 avec 1 Wh = 3600 J
Conditions d’utilisation d’un accumulateur
 Batterie d’accumulateurs
d’accumulateurs
:
association
en
série
Courant maximal :
Courant que peut
délivrer la batterie
pdt t court
 Capacité énergétique :
Qmax.E = 74.12 = 888 Wh
 Capacité : quantité
d’électricité maximale
en Ah (1 Ah = 3600 C)
 Tension nominale U = fem