Pile nickelcadmium du laboratoire :
la
pile nickel-cadmium est constituée de deux demi-piles reliées par un
pont salin et mettant en jeu les couples oxydant / réducteur Ni2+aq /Ni(s) et Cd2+aq /Cd(s).
Chaque demi-pile contient 20 mL de solution aqueuse :
- l'une de sulfate de nickel Ni2+aq +SO42-aq ;
- l'une de sulfate de cadmium Cd2+aq +SO42-aq.
Les concentrations molaires en électrolyte de ces solutions aqueuses sont identiques. Leur valeur c0 est égale à 0,10 mol/L.
Chacune des deux électrodes a une masse initiale de 2,0 g.
Soit l'équation de réaction : Cd2+aq +Ni(s) = Ni2+aq +Cd(s). (1)
Sens d'volution spontanée du système chimique constituant la pile.
Donner l'expression littérale du quotient de réaction Qr et le calculer dans l'état initial.
Q r = [Ni2+aq] / [ Cd2+aq ] ; Q r i = [Ni2+aq]i / [ Cd2+aq ] i =c0 / c0= 1.
La constante d'équilibre K associée à la réaction (1) est = 2,2 10-6, prévoir le sens d'évolution spontanée du système chimique constituant la pile.
Q r i > K, le système chimique évolue en sens indirect, de la droite vers la gauche.
Ecrire l'équation de fonctionnement de la pile.
Ni2+aq +Cd(s) = Cd2+aq +Ni(s).
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Ecrire
les demi-équations électroniques en précisant s'il s'agitt d'une
réduction ou d'une oxydationon. Préciser la polarité des électrodes
Réduction de l'ion nickel : Ni2+aq +2e- = Ni(s).
Le nickel est une cathode positive.
Oxydation du cadmium : Cd(s) = Cd2+aq +2e-.
Le cadmium est une anode négative.
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Quel est le rôle du pont salin ?
Le pont salin assure la continuité électrique entre les deux demi-piles.
De plus il assure la neutralité électrique de chaque solution.
L'accumulateur Ni-Cd d'un téléphone sans fil, première génération.
L'électrolyte est basique, il s'agit d'une solution aqueuse concentrée d'hydroxyde de potassium.
Les couples oxydant / réducteur impliqués sont : Cd(OH)2 (s) / Cd(s) et NiO(OH)(s) / Ni(OH)2 (s).
La réaction à l'une des électrodes est : Cd(s) + 2HO-aq =Cd(OH)2 (s) + 2e-.
La réaction de décharge de l'accumulateur est alors :
Cd(s) + 2NiO(OH)(s) = Cd(OH)2 (s) + 2 Ni(OH)2 (s). (2)
Compléter le tableau descriptif de l'évolution du système.
| avancement (mol) | Cd(s) | + 2NiO(OH)(s) | = Cd(OH)2 (s) | + 2 Ni(OH)2 (s) | Quantité d'électrons échangés |
| initial | 0 | n0 | excès | n2 | n3 | 0 |
| en cours | x | n0-x | excès | n2-x | n3-2x | 2x |
| fin | xmax | n0-xmax | excès | n2-xmax | n3-2xmax | 2xmax |
Le cadmium étant le réactif limitant, retrouver la relation entre la quantité de matière initiale de cadmium, notée n0, et la quantité de matière d'électrons échangés lorsque la réaction est terminée.
n0-xmax = 0 ; xmax =n0 ; la quantité de matière d'électrons est n(e-) = 2xmax =2n0.
Déterminer la quantité maximale d'électricité que peut débiter cet accumulateur.
masse de cadmium : 2,0 g ; NA =6,02 1023 mol-1 ; charge élémentaire e = 1,6 10-19 C ; m(Cd) = 112,4 g/mol.
n0 = 2,0 / 112,4 =1,78 10-2 ~ 1,8 10-2 mol.
n(e-) =2*1,78 10-2 ~3,56 10-2 mol.
La valeur absolue de la charge d'une mole d'électrons est : NA e =6,02 1023 *1,6 10-19 = 9,632 104 C mol-1.
Quantité maximale d'électricité : 9,632 104 *3,56 10-2 =3,4 103 C.
Comment
réalise t-on la charge de l'accumulateur ? Quel est alors le type de
fonctionnement ? Ecrire l'équation de la réaction de charge en
justifiant.
On branche l'accumulateur aux bornes d'un
générateur de tension continue ( borne + de l'accumulateur relié au
pôle + du générateur).
L'accumulateur fonctionne en récepteur.
Cd(OH)2 (s) + 2 Ni(OH)2 (s)=Cd(s) + 2NiO(OH)(s).
Réduction de Cd(OH)2 (s) en cadmium à la cathode négative ; oxydation de Ni(OH)2 (s) à l'anode positive.
Le cadmium étant un métal polluant, cet accumulateur n'est plus fabriqué, il est remplacé par l'accumulateur Ni-MH.
L'accumulateur Ni-MH.
L'accumulateur nickel hydrure métallique, utilise de l'hydrure métallique MHab ( composé permettant un stokage de l'hydrogène ). L'une des réactions aux électrodes est :
M(s) + H2O(l) + e- = MHab +HO-aq.
M étant le métal et Hab étant l'hydrogène absorbé.
Un
téléphone sans fil actuel utilise deux piles rechargeables AAA de
technologie Ni-MH. La plupart des appareils nomades peuvent utiliser ce
type d'accumulateurs. Il existe des chargeurs extrèmement rapides : un
fabricant propose des piles rechargeables de capacité 800 mAh pouvant
être rechargées en 15 minutes.
Quelle est la valeur de la capacité de cette pile en unité SI ?
Q =800 mAh = 0,800 Ah = 0,800*3600 C = 2,88 103 C.
L'accumulateur étant totalement déchargé, on veut obtenir à nouveau, une capacité de 800 mAh.
Quelle est l'intensité nécessaire en courant constant pour réaliser la charge rapide en 15 minutes ?
I = Q/t = 2,88 103 / (15*60) =3,2 A.
L'accumulateur est maintenant totalement chargé. l'intensité, supposée constante, débitée lors de la décharge est de 0,27 A.
Quelle est la durée de fonctionnement en minutes de cette pile ?
t = Q / I = 2,88 103 /0,27 = 10666 s =177,7 min ~1,8 102 min.
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L'accumulateur Li-ion.
La
plupart des équipements électroniques nomades actuels sont équipés de
batterie lithium-ion. Le lithium est un métal très intéressant pour la
constitution d'une pile car sa capacité massique ( en mAh g-1)
est très supérieure à celle d'autres métaux. Mais le lithium, métal
alcalin, est trop réactif pour être utilisé sous forme de métal. Ces
piles rechargeables contiennent uniquement des ions Li+. C'est une des technologies envisagées pour la voiture électrique.
Dans quelle colonne de la classification périodique se situe l'élément lithium ? Justifier.
Les
métaux alcalins appartiennent à la première colonne de la
classification périodique. Ils possèdent un seul électron
externe. Ils donnent facilement des cations portant une seule
charge positive.
La capacité d'une pile de téléphone portable est de
4320 C. En supposant que la tension aux bornes de la pile est de 3,7 V
lors de son fonctionnement, quelle est l'énergie électrique que peut fournir cette pile ?
4320*3,7 = 1,6 104 J.
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