🔋 La pile Daniell : de la chimie qui fait de l'électricité
Une lame de zinc, une lame de cuivre, une solution bleue, une solution incolore… et une ampoule qui s'allume sans prise ni batterie : c'est la pile inventée par John Frederic Daniell en 1836. Le zinc se sacrifie, le cuivre se dépose, les électrons font le tour par le fil. Branche, débranche, accélère le temps et regarde ta pile vivre… et mourir !
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- À la lame de zinc, des atomes de zinc perdent deux électrons et partent en solution sous forme d'ions Zn2+ : c'est une oxydation. Au fil des heures, la lame s'amincit.
- Les électrons traversent le fil extérieur (et l'ampoule) du zinc vers le cuivre. Sur la lame de cuivre, les ions Cu2+ les captent et se déposent en cuivre métallique : c'est une réduction. La solution bleue pâlit.
- Dans le pont salin, les ions K+ migrent vers le bécher de cuivre et les anions vers le bécher de zinc : ils gardent chaque solution électriquement neutre et ferment le circuit. Sans pont salin, plus rien ne circule.
- À vide, le voltmètre affiche 1,10 V (conditions standard). Quand la pile débite, la tension à ses bornes baisse un peu, à cause de sa résistance interne.
- La pile s'arrête quand un réactif est épuisé : ici les ions Cu2+ (0,100 mol dans 100 mL), au bout d'environ 80 heures avec l'ampoule.
Expériences à faire
- Inverse les fils du voltmètre : que devient la valeur affichée ? Qu'est-ce que cela t'apprend sur la polarité de la pile ?
- Fais débiter la pile pendant 1 h dans l'ampoule : calcule Q = I × t, puis n(e−) = Q / F et la masse de zinc consommée. Compare avec la simulation.
- Remplace l'ampoule par une résistance de 1 Ω, puis de 100 Ω : comment varient l'intensité et la tension aux bornes de la pile ? Et la durée de vie de la pile ?
- Pourquoi la lame de cuivre gagne-t-elle un peu moins de masse que la lame de zinc n'en perd ?
- Choisis « ✏️ Mes valeurs » avec [Cu2+] = 0,01 mol/L : la tension à vide est-elle plus grande ou plus petite que 1,10 V ? Vérifie avec la relation de Nernst.
La chimie derrière l'animation
- Demi-équations : à l'anode (pôle −), Zn → Zn2+ + 2 e− (oxydation) ; à la cathode (pôle +), Cu2+ + 2 e− → Cu (réduction). Bilan : Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu.
- Force électromotrice standard : E° = E°(Cu2+/Cu) − E°(Zn2+/Zn) = 0,34 − (−0,76) = 1,10 V. Relation de Nernst à 25 °C : E = 1,10 + 0,0296 × log([Cu2+] / [Zn2+]).
- Quantité d'électricité débitée : Q = I × t (en coulombs). Quantité d'électrons échangés : n(e−) = Q / F, avec F = 96 485 C/mol (constante de Faraday).
- D'après les demi-équations, n(Zn consommé) = n(Cu déposé) = n(e−) / 2, donc Δm(Zn) = M(Zn) × Q / (2F), avec M(Zn) = 65,38 g/mol et M(Cu) = 63,55 g/mol.
- Modèle de la simulation : résistance interne r = 4 Ω supposée constante, I = E / (R + r) et U = E − r × I ; ampoule assimilée à une résistance de 12 Ω ; 100 mL de chaque solution à 1 mol/L (tout cela se change avec « ✏️ Mes valeurs »). Les électrons et les ions sont dessinés bien moins nombreux et bien plus rapides que les vrais.
D'autres animations
La chromatographie sur couche mince
Fais monter l'éluant, révèle la plaque sous UV ou au diiode, mesure les Rf et démasque les constituants d'un mélange mystère.
Manipuler →Préparer une solution par dilution
Pipette jaugée, fiole jaugée, trait de jauge : dilue une solution colorée, calcule le facteur de dilution et construis ton échelle de teinte.
Manipuler →Construis ton atome
Glisse protons, neutrons et électrons : élément, symbole, isotopes, ions, configuration électronique et règle de l'octet en direct.
Manipuler →Et maintenant, on passe aux choses sérieuses ? 😉
ExpoSinus est un site d'éducation : les jeux et les articles sont là pour donner envie, les cours et les exercices pour progresser vraiment.