Chimie, chapitre 5 : La conduction électrique - La Charente-Maritime

<strong>Chimie</strong>, <strong>chapitre</strong> 5 : <strong>La</strong> <strong>conduction</strong> <strong>électrique</strong><br />

1. L’électron<br />

1.1 Petite histoire du modèle de l’atome<br />

Dès 420 avant JC, Démocrite (philosophe grec) a l’intuition de l’existence des atomes et invente<br />

leur nom : « atomos » qui signifie en grec « qu’on ne peut pas couper ». Il pensait que les propriétés<br />

des objets étaient une conséquence directe de la forme des atomes ; ainsi, les atomes de citron<br />

devaient être pointus, les atomes de sucre ronds…<br />

Aristote (philosophe grec), IIIème siècle avant JC conteste cette existence par la théorie dite des<br />

quatre éléments selon laquelle toute matière est faite des 4 substances indestructibles : eau, feu, air,<br />

terre. Son prestige est tel qu’il faut attendre le début du XIXème siècle pour que l’idée atomiste<br />

reprenne vie.<br />

En 1805, John Dalton reprend l’hypothèse atomique. Il suppose que les atomes se combinent<br />

entre eux sans modification de leur nature : un atome d’oxygène associé à deux atomes d’hydrogène<br />

donne de l’eau tandis que deux atomes d’oxygène associés à un atome de carbone donne du dioxyde<br />

de carbone… Contrairement à Démocrite, ce savant ne différencie plus les atomes par leur forme<br />

mais par leur masse. Il «voit » les atomes comme des sphères.<br />

En 1904, Thomson partant de l’idée que l’atome est <strong>électrique</strong>ment neutre, pense qu’il doit contenir<br />

des charges positives qui compensent les charges négatives (électrons). Pour lui, l’atome est une<br />

sphère parsemée d’électrons, comme un cake parsemé de raisins. On a appelé son modèle de<br />

l’atome « cake de Thomson ».<br />

En 1910, Ernest Rutherford met au point une expérience (bombardement d’une très fine feuille<br />

d’or) qui lui permet de conclure que : l’atome ressemble au système soleil ­ planètes où des<br />

électrons (les planètes) tournent autour d’un noyau (le soleil). Le noyau contient des protons<br />

positifs, et les électrons sont négatifs.<br />

En 1932, le physicien britannique James Chadwick découvre une autre particule dans le noyau : les<br />

neutrons. Un neutron est <strong>électrique</strong>ment neutre.<br />

Les chercheurs récents (Schrödinger) ont découvert qu’il est impossible de connaître précisément<br />

la position des électrons : ils n’ont pas de trajectoire bien définie. Les électrons forment un nuage<br />

électronique.<br />

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Un atome est constitué d’un noyau très petit entouré d’un nuage électronique.<br />

Le noyau est formé de particules positives appelées protons.<br />

Le nuage électronique est formé de particules négatives appelées électrons.<br />

Entre les particules, il y a du vide.<br />

Le noyau contient l’essentiel de la matière, il est 1000 fois plus petit que l’atome.<br />

En chimie, on ne touchera pas au noyau, c’est le domaine de la physique nucléaire !<br />

1.2 Exemple d’un atome d’oxygène<br />

Le numéro atomique de l’oxygène est 8. On écrit Z=8. Ceci veut dire qu’un atome d’oxygène<br />

est formé d’un noyau avec 8 protons. (np+ = 8)<br />

Comme un atome est neutre, il y a autant d’électrons que de protons. Donc, pour un atome<br />

d’oxygène, il y a 8 électrons. (ne­ = 8)<br />

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2. Le courant et les solides<br />

2.1 Problème : Quels solides conduisent l’électricité ?<br />

Hypothèse : Je pense que....<br />

Expérience de validation de l’hypothèse<br />

Schéma du déroulement<br />

+<br />

Observations constatées<br />

Je vois la lampe<br />

Cu X<br />

briller éteinte<br />

Sulfate de cuivre X<br />

Al X<br />

sel X<br />

plomb X<br />

Corps à<br />

tester<br />

sucre X<br />

Conclusion<br />

Seuls les métaux conduisent l’électricité.<br />

2.2 Structure des métaux<br />

On peut voir, à l’aide d’un microscope à effet tunnel, que les atomes des métaux sont<br />

rangés de manière régulière.<br />

Atome d’or vu<br />

au microscope<br />

à effet tunnel<br />

Cependant, les microscopes n’arrivent pas à visualiser les électrons de ces atomes.<br />

Mais, on a découvert que, dans le cas des métaux, certains électrons sont peu retenus par le noyau :<br />

ils peuvent, de manière désordonnée, passer d’un atome à un autre : ce sont des électrons libres.<br />

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Les électrons libres bougent dans tous les sens dans les fils métalliques : il n’y a pas de<br />

courant. Quand le générateur fonctionne, les électrons libres vont tous ensembles dans le même<br />

sens, à la même vitesse, il y a alors du courant <strong>électrique</strong>.<br />

Les électrons libres se déplacent vers la borne positive du générateur.<br />

Quand le circuit est ouvert, les électrons libres vont dans tous les sens : il n’y a pas de<br />

courant.<br />

Quand le circuit est fermé, les électrons libres vont tous dans le même sens : il y a du<br />

courant.<br />

A l’intérieur d’un isolant, il n’y a pas d’électrons libres : il n’y a pas de courant.<br />

2.3 Applications : intensité du courant <strong>électrique</strong><br />

Cas 1 : l’interrupteur est ouvert, les électrons bougent dans tous les sens de manière<br />

désordonnée. : il n’y a pas de courant.<br />

Cas 2 : l’interrupteur est fermé, les électrons libres peuvent bouger de manière ordonnée à la<br />

même vitesse vers le pôle plus : il y a du courant.<br />

Intensité : nombre d’électrons par seconde.<br />

En série, l’intensité est partout la même.<br />

Au niveau d’un noeud, l’intensité qui arrive est égale à celle qui part.<br />

100 e ­<br />

+<br />

100 e ­<br />

20 e ­<br />

80 e ­<br />

Il y a conservation des<br />

charges <strong>électrique</strong>s.<br />

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3. Le courant et les liquides<br />

Rappels : l’eau est solvant qui peut dissoudre le sel (chlorure de sodium) appelé soluté. On<br />

obtient alors une solution aqueuse de chlorure de sodium. Le sel n’est plus visible à l’oeil nu<br />

mais il n’a pas disparu !<br />

3.1 Problème : Quels liquides conduisent l’électricité ?<br />

Hypothèse : Je pense que....<br />

Expérience de validation de l’hypothèse<br />

Schéma du déroulement<br />

+<br />

Observations constatées<br />

Je mesure<br />

Une intensité<br />

Eau salée 0,18 A<br />

Eau sucrée 0,00 A<br />

Solution de sulfate<br />

de cuivre<br />

10A<br />

COM<br />

A<br />

0,25 A<br />

Eau distillée 0,00 A<br />

Hépar 0,03 A<br />

Conclusion<br />

Tous les liquides ne conduisent pas l’électricité. L’eau seule ne conduit pas l’électricité.<br />

Les solutions minérales la conduisent.<br />

Les sels minéraux sont appelés des ions.<br />

3.2 Les ions<br />

a. Exemples : Eau de source de montagne<br />

Composition<br />

Cations (+) mg/L Anions (­) mg/L<br />

Calcium Ca 2+ 4,1 Sulfates SO4 2­ 1,1<br />

Magnésium Mg 2+ 1,7 Hydrogénocarbonates HCO3 ­ 25,8<br />

Sodium Na + 2,7 Chlorure Cl ­ 0,9<br />

Potassium K + 0,9 Nitrates NO3 ­ 0,8<br />

pH = 7,3<br />

Silice : 32,7 mg/L<br />

résidu sec à 180°C : 52,2 mg/L<br />

Les ions sont des particules <strong>électrique</strong>s.<br />

Les ions positifs sont appelés cations.<br />

Les ions négatifs sont appelés anions.<br />

Nitrites NO2 ­ 0,0<br />

Electrolyseur<br />

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. Atomes et ions<br />

Le physicien anglais Michael Faraday introduit la notion d’ions (« qui va » en grec) du fait<br />

qu’ils sont responsables de la <strong>conduction</strong> <strong>électrique</strong> dans les solutions.<br />

Les ions sont des atomes qui ont perdu ou gagné des électrons.<br />

Exemples :<br />

Z = 3<br />

Li Li +<br />

l’atome est neutre l’ion n’est pas neutre : il est positif, c’est un cation<br />

Z = 35<br />

3e­<br />

3p+<br />

np+ = ne­<br />

35e­<br />

35p+<br />

np+ ≠ ne­<br />

Br Br ­<br />

l’atome est neutre l’ion n’est pas neutre : il est négatif, c’est un anion<br />

np+ = ne­<br />

Perte d’un<br />

électron<br />

Gain d’un<br />

électron<br />

2e­<br />

3p+<br />

36e­<br />

35p+<br />

np+ ≠ ne­<br />

c. Sens de déplacement<br />

Les anions se déplacent vers le plus, les cations vers le moins.<br />

+ ­<br />

2­ MnO4 Cu 2+<br />

3.3 Le courant dans les solutions ioniques<br />

Dans les solutions ioniques, le courant est dû au déplacement ordonné des ions.<br />

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4. Les piles électrochimiques<br />

4.1 Principe de fonctionnement<br />

L’empilement de Volta (1800)<br />

Selon la version souvent admise, la découverte de Volta serait due à une observation de Galvani,<br />

remontant à 1786. Galvani constate que des cuisses de grenouille accrochées à un fil de cuivre, luimême<br />

suspendu à un balcon de fer, se contractent dès qu’elles viennent au contact du fer. Volta<br />

étudie la question et aboutit à la confection de la pile.<br />

Voici comment Volta décrit, dans une de ses lettres, la constitution de sa pile :<br />

«Je me fournis de quelques douzaines de petites plaques rondes ou disques de cuivre, de laiton, ou mieux<br />

d’argent, d’un pouce* de diamètre, plus ou moins (par exemple des monnaies), et d’un nombre égal de<br />

plaques d’étain, ou, ce qui est beaucoup mieux, de zinc, de la même figure et grandeur, à peu près […] Je<br />

prépare, en outre, un nombre assez grand de rondelles de carton, de peau ou de quelque autre matière<br />

spongieuse, capable d’imbiber et de retenir beaucoup d’eau ou de l’humeur** dont il faudra qu’elles soient<br />

bien trempées. Ces tranches, que j’appellerai disques mouillés, je les fais un peu plus petits que les disques<br />

ou plateaux métalliques, afin qu’interposés à eux de la manière que je dirai bientôt, ils n’en débordent pas.<br />

Ayant sous ma main toutes ces pièces en bon état, c’est­à­dire les disques métalliques bien propres et secs, et<br />

les autres non métalliques bien imbibés d’eau simple, ou, ce qui est beaucoup mieux, d’eau salée, et essuyés<br />

ensuite légèrement pour que l’humeur n’en dégoutte pas, je n’ai plus qu’à les arranger comme il convient, et<br />

cet arrangement est simple et facile. Je pose donc horizontalement sur une table un des plateaux métalliques,<br />

par exemple un d’argent, et sur ce premier j’en adapte un de zinc ; sur ce second, je couche un des disques<br />

mouillés, puis un autre plateau d’argent, suivi immédiatement d’un autre de zinc, auquel je fais succéder<br />

encore un disque mouillé. Je continue ainsi de la même façon, accouplant un plateau d’argent avec un de<br />

zinc, et toujours dans le même sens, c’est­à­dire toujours l’argent dessous et le zinc dessus et interposant à<br />

chacun de ces couples un disque mouillé: je continue, dis­je, à former de ces étages une colonne aussi haute<br />

qu’elle peut se soutenir sans s’écrouler.» Ainsi, fût fabriquée la première pile <strong>électrique</strong>.<br />

*pouce = vieille unité de longueur de 2,54 cm **humeur = liquide<br />

Problème : de quel matériel avez­vous besoin pour réaliser une pile ?<br />

En empilant des métaux différents avec un liquide conducteur, on fabrique une pile.<br />

Expérience :<br />

Schéma :<br />

V<br />

Zn Cu<br />

Solution acide<br />

Observation : je mesure une tension de 1 V<br />

Conclusion : pour faire une pile, il suffit de deux métaux différents et d’un liquide<br />

conducteur (acide dans notre cas).<br />

Remarque : au bout d’un moment, il y a « usure » de la pile ; les différents réactifs se sont<br />

transformés en produits. Il n’y a plus de mise en mouvement des électrons : il n’y a plus de courant.<br />

4.2 Convertisseur d’énergie et réactions chimiques<br />

Energie chimique PILE Energie <strong>électrique</strong><br />

!Attention ces réactions ne sont pas du programme de 3°!<br />

exemples de réaction pour une pile zinc­cuivre<br />

Zn ­> Zn2+ + 2e­ Cu2+ Energie thermique<br />

(chaleur)<br />

+ 2e­ ­> Cu<br />

Les électrons sont transmis par le fil métallique constituant le circuit.<br />

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4.3 Exemples de piles et recyclage<br />

Il faut mettre les piles à recycler !<br />

Aller fureter sur le site : www.corepile.fr/education/enfants/index.php<br />

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