Avec deux lames métalliques, deux solutions et un morceau de papier filtre, on fabrique une source d’électricité. Mais quelle tension fournit-elle, et que devient cette tension quand on lui demande du courant ? Dans ce TP sur les piles et l’évolution spontanée, tu réalises une pile Daniell et tu traces sa caractéristique.
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Objectif du TP sur les piles et l’évolution
Réaliser une pile Daniell, identifier ses pôles, mesurer sa tension à vide et déterminer sa force électromotrice E et sa résistance interne r à partir de la courbe U = f(I).
Matériel
- Une lame de zinc et une lame de cuivre décapées (papier de verre fin)
- Deux béchers de 50 mL
- Solution de sulfate de zinc à 0,10 mol·L−1 et solution de sulfate de cuivre(II) à 0,10 mol·L−1
- Une bande de papier filtre imbibée de solution de nitrate de potassium (pont salin)
- Un multimètre utilisé en voltmètre (et un second en ampèremètre si possible)
- Six conducteurs ohmiques : 10 Ω ; 22 Ω ; 47 Ω ; 100 Ω ; 220 Ω ; 470 Ω
- Fils de connexion à pinces crocodiles, chronomètre
Sécurité
Porte blouse, lunettes et gants. Les solutions de cuivre(II) sont nocives pour les milieux aquatiques : ne les verse pas à l’évier mais dans le bidon de récupération prévu. Évite tout contact avec la peau et les yeux, lave-toi les mains en fin de séance. Ne court-circuite jamais la pile plus de quelques secondes.
Protocole
- Décape les deux lames au papier de verre fin, rince-les et sèche-les.
- Verse 40 mL de la solution de sulfate de zinc dans un bécher et 40 mL de sulfate de cuivre(II) dans l’autre ; plonge chaque lame dans sa solution.
- Place le pont de papier filtre imbibé de nitrate de potassium entre les deux solutions, sans que les lames se touchent.
- Branche le voltmètre directement entre les deux lames, circuit extérieur ouvert, et relève la tension à vide e. Inverse les bornes si la valeur est négative et note les pôles.
- Relie ensuite un conducteur ohmique de résistance R entre les deux lames, avec le voltmètre aux bornes de R.
- Relève rapidement la tension U puis déconnecte le conducteur ohmique pour ne pas épuiser la pile.
- Recommence pour les six valeurs de R, de la plus grande à la plus petite.
- Calcule pour chaque mesure l’intensité I = U ÷ R et reporte les points sur le graphique U = f(I).
Mesures à relever
| R (Ω) | U (V) | I = U ÷ R (mA) | P = U × I (mW) |
|---|---|---|---|
| ∞ (à vide) | … | 0 | 0 |
| 470 | … | … | … |
| 220 | … | … | … |
| 100 | … | … | … |
| 47 | … | … | … |
| 22 | … | … | … |
| 10 | … | … | … |
Questions
- Quel est le pôle positif de la pile ? Écris les demi-équations aux électrodes et l’équation de la réaction.
- Indique sur un schéma le sens des électrons et celui du courant dans le circuit extérieur.
- Quelle est la valeur de la tension à vide e ? Est-elle voisine de la valeur théorique de 1,1 V ?
- Trace le graphique U = f(I) et détermine, en justifiant, E et la résistance interne r de la pile.
- Pourquoi la tension U diminue-t-elle quand l’intensité augmente ?
- Calcule la puissance P pour chaque mesure. Pour quelle valeur de R est-elle la plus grande ? Compare à r.
- Pourquoi faut-il déconnecter la pile entre deux mesures et ne jamais la court-circuiter ?
- Pourquoi l’absence de pont salin supprimerait-elle tout courant ?
Pour aller plus loin
- Remplace la solution de cuivre par une solution à 0,010 mol·L−1 et mesure la nouvelle tension à vide : comment Qr explique-t-il la baisse observée ?
- Estime la durée de vie théorique de la pile pour I = 5 mA avec 40 mL à 0,10 mol·L−1 de Cu2+.
