La pile Daniell

Recréez l’une des premières piles électrochimiques !

Difficulté :
Danger :
Durée :
15 minutes
La pile Daniell

Réactifs

Sécurité

  • Portez des gants et des lunettes de protection.
  • Réalisez l’expérience sur le plateau en plastique.
Règles générales de sécurité
  • Éviter tout contact des produits chimiques avec les yeux ou la bouche.
  • Éloigner les jeunes enfants, les animaux et les personnes sans équipement de protection des yeux de la zone où sont réalisées les expériences.
  • Ranger ce coffret d’expériences hors de portée des enfants de moins de 10 ans.
  • Nettoyer la totalité du matériel après utilisation.
  • S’assurer que tous les récipients sont hermétiquement fermés et convenablement stockés après utilisation.
  • S’assurer que tous les récipients vides sont correctement éliminés.
  • Ne pas utiliser d’autre matériel que celui fourni avec le coffret ou recommandé dans la notice d’utilisation.
  • Ne pas remettre les denrées alimentaires dans leur récipient d’origine. Les jeter immédiatement.
Informations générales de premiers soins
  • En cas de contact avec les yeux : laver abondamment à l’eau en maintenant les yeux ouverts si nécessaire. Consulter immédiatement un médecin.
  • En cas d’ingestion : rincer la bouche abondamment avec de l’eau, boire de l’eau fraîche. Ne pas faire vomir. Consulter immédiatement un médecin.
  • En cas d’inhalation : transporter la personne à l’extérieur.
  • En cas de contact avec la peau et de brûlures : laver abondamment à l’eau la zone touchée pendant au moins 10 minutes.
  • En cas de doute, consulter un médecin sans délai. Emporter le produit chimique et son récipient.
  • En cas de blessure, toujours consulter un médecin.
Conseils pour les adultes superviseurs
  • L’utilisation incorrecte des produits chimiques peut engendrer des blessures et nuire à la santé. Réaliser uniquement les expériences décrites dans les instructions.
  • Ce coffret d’expériences est à utiliser uniquement par des enfants de plus do 10 ans.
  • Compte tenu de très grandes variations des capacités des enfants, même au sein d’un groupe d’âge, il convient que les adultes surveillants apprécient avec sagesse quelles sont les expériences appropriées et sans risque pour les enfants. Il convient que les instructions permettent aux adultes surveillants d’évaluer chacune des expériences afin de pouvoir déterminer son adéquation à un enfant particulier.
  • Il convient que l’adulte surveillant s’entretienne des avertissements et des informations de sécurité avec l’enfant ou les enfants avant de commencer les expériences. Il convient d’accorder une attention particulière à la sécurité lors de la manipulation d’acides, d’alcalis et de liquides inflammables.
  • Il convient que la zone où sont réalisées les expériences soit sans obstacle et ne soit pas située près d’une réserve de denrées alimentaires. Il convient qu’elle soit bien éclairée et aérée, et à proximité d’une adduction d’eau. Il convient d’utiliser une table solide dont la surface est résistante à la chaleur.
  • Il convient d’utiliser complètement les substances contenues dans des emballages non refermables au cours d’une expérience, c’est-à-dire après l’ouverture de l’emballage.

FAQ et dépannage

La diode ne s’allume pas. Que faire ?

Tout d’abord, assurez-vous que la diode est connectée correctement : la pince crocodile noire doit être connectée à la «­ jambe » la plus courte, et la pince rouge à la «­ jambe » la plus longue.

Ne laissez aucune des pinces crocodiles toucher l’autre « jambe » – cela pourrait provoquer un court-circuit !

Vérifiez également les connexions entre les pinces crocodiles, le fil de zinc et le fil de cuivre.

Assurez-vous que le fil de zinc est inséré dans le tube à essai en plastique avec la solution incolore de sulfate de zinc ZnSO4, et que le fil de cuivre est inséré dans le tube à essai avec la solution bleue de sulfate de cuivre CuSO4. Les fils doivent être partiellement immergés dans les solutions correspondantes.

Le tissu absorbant (pont de sel) doit relier la solution bleue de sulfate de cuivre CuSO4 et la solution incolore de sulfate de zinc ZnSO4. Si nécessaire, appliquez quelques gouttes de CuSO4 sur la bande absorbante.

Pourquoi la diode brille-t-elle plus fort ?

En ajoutant la solution de NaHSO4, nous ajoutons des ions H+. Ces minuscules particules sont extrêmement mobiles et se déplacent facilement à travers la solution. Cet ajout intensifie le courant électrique, augmentant ainsi la conductivité électrique globale de la solution.

Instructions pas à pas

Préparez un tube à essai de solution de sulfate de cuivre CuSO4 et un tube à essai de solution de sulfate de zinc ZnSO4.

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Connectez les solutions avec un morceau de tissu traité avec la solution de CuSO4.

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Connectez un fil de zinc Zn à la pince crocodile noire et un fil de cuivre Cu à la pince crocodile rouge.

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Immergez les fils métalliques dans les tubes à essai : placez le fil Zn dans le tube à essai de solution de ZnSO4, et le fil Cu dans le tube à essai de solution CuSO4. Votre première pile Daniell est prête !

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Oups ! Étrangement, la diode ne s'allume pas encore. Elle ne reçoit probablement pas assez d'énergie. Mais n'abandonnez pas car vous pouvez doubler votre production d'énergie !

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Assemblez une deuxième pile Daniell. Connectées entre elles, les deux piles Daniell parviennent à alimenter la diode !

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Appliquez maintenant plusieurs gouttes de solution de NaHSO4 sur les morceaux de tissu. Observez que la diode brille encore plus fort !

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Élimination des déchets

Veuillez vous reporter aux réglementations locales pour la collecte des déchets chimiques. Jetez les autres déchets solides avec les ordures ménagères. Versez les solutions restantes dans l'évier. Rincez abondamment à l’eau.

Description scientifique

Le fonctionnement interne de la pile Daniell ressemble beaucoup à celui de la pile au citron : le cuivre Cu  attire des électrons  du zinc Zn  à travers le fil, créant ainsi un courant électrique. En même temps, des particules de zinc avec quelques électrons manquants (ions zinc Zn2+ entrent dans la solution.

Il existe une différence importante entre la pile au citron et la pile Daniell : dans cette dernière, ce ne sont pas les ions hydrogène mais les ions cuivre Cu2+  qui absorbent les électrons libres du cuivre. Cette réaction ne produit donc pas de gaz dihydrogène ; au lieu de cela, le cuivre se dépose tranquillement sur le fil de cuivre.

Deux piles devraient fournir deux fois plus d’énergie qu’une seule, non ? En fait, il y a différentes façons de mesurer l’électricité. Vous pouvez mesurer le courant électrique qui doublera si vous connectez deux piles en parallèle . Le courant se mesure en ampères. Avec la connexion de deux piles en série  (comme vous venez de le faire), c'est le potentiel électrique qui doublera. Le potentiel se mesure en volts.

Une pile produit 1,1 volt et environ 0,02 ampère, tandis qu'une diode nécessite environ 2 V et 0,02 A pour s'allumer. C'est pourquoi vous devez connecter les deux piles en série  pour alimenter la diode. Pour charger un smartphone, vous avez généralement besoin de 5 volts et d'au moins 0,5 ampère. Par conséquent, vous auriez besoin de 5 piles en séries  pour produire suffisamment de volts, et de 25 séries connectées en parallèle  pour produire suffisamment d'ampères.

Pourquoi la diode s'allume-t-elle ?

Lorsqu’une diode s'allume, cela signifie qu’il y a un courant électrique dans les fils. Dans notre expérience, cette électricité est obtenue à partir de deux cellules galvaniques appelées cellules Daniell. Une telle cellule consiste en une solution de sel de zinc contenant une électrode de zinc, une solution de sulfate de cuivre contenant une électrode de cuivre, et ce qu’on appelle un pont de sel reliant les deux solutions. Le principe de fonctionnement de cette cellule repose sur une différence de réactivité suffisante entre le cuivre et le zinc. Le zinc étant un métal plus actif, chaque atome de zinc cédera facilement deux électrons, formant des ions zinc Zn2+, qui sont libérés dans la solution :

Zn – 2e → Zn2+

Ces électrons migrent vers l’électrode de cuivre, qui développe une charge négative et commence à attirer les ions cuivre Cu2+ chargés positivement dans la solution de sulfate de cuivre. Ces ions acceptent volontiers les électrons disponibles pour former du cuivre métallique, qui précipite à la surface de l’électrode de cuivre :

Cu2+ + 2e → Cu0

En se déplaçant à travers les fils du zinc vers le cuivre, les électrons créent un courant électrique qui allume la diode.

À quoi le pont de sel sert-t-il ?

Le pont de sel relie les deux solutions, afin que les ions d’une solution puissent se déplacer vers l’autre solution, et inversement. Sans cet échange, le circuit électrique n’aurait pas pu former la boucle, et la pile n’aurait pas fonctionné.

Si nous examinons la cellule de plus près, nous verrons qu’il y a un excès d’ions chargés positivement dans la solution de sulfate de zinc, et un excès de particules chargées négativement dans la solution de sulfate de cuivre. Lorsque le pont de sel relie les solutions, les ions superflus chargés négativement peuvent se déplacer de la solution de sulfate de cuivre à la solution de sulfate de zinc et les ions chargés positivement peuvent se déplacer dans la direction opposée. Le pont de sel complète donc le circuit électrique.

Pourquoi utilisons-nous deux cellules dans l’expérience ?

Deux cellules connectées en série fournissent une tension suffisante pour que la diode s’allume. Une seule cellule a une tension d’environ 1 V, tandis que deux donnent presque le double. Les deux cellules peuvent également être connectées en parallèle. Dans ce cas, la tension restera 1 V, mais une autre caractéristique – le rendement du courant électrique, ou ampérage – doublera.

Suivi

Que puis-je faire avec le NaHSO4 ?

Bravo, vous avez remarqué la bouteille supplémentaire ! C’est ainsi qu’un vrai chercheur travaille ! Appliquez plusieurs gouttes de solution de NaHSO4 sur le tissu, et ajoutez-en un petit peu dans chaque tube à essai. La diode devrait briller encore plus fort ! N’hésitez pas à expérimenter : continuez à explorer, c'est le plus sûr moyen de réussir !

Ça, c’est intéressant !

Quelle a été la première source chimique de courant électrique ?

Le chercheur italien Alessandro Volta (son nom complet était Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Gerolamo Umberto Volta) a été le premier à suggérer de relier un fil de cuivre à un fil de zinc, puis de les immerger dans une solution électrolytique. Un électrolyte est un composé qui, lors de la dissolution, produit des ions chargés positivement et des ions chargés négativement, sous la forme d’une solution : il conduit donc l’électricité.

La mesure de la différence de potentiel électrique – le volt – a également été nommée en l'honneur d'Alessandro Volta. Par son travail, Volta a prouvé qu’un tel système composé de deux fils et d’un électrolyte produisait bien de l’électricité. C’était une véritable avancée pour l'époque !

Volta a également démontré que plusieurs cellules contenant une paire zinc-cuivre pouvaient être connectées. Il a donc créé une « pile voltaïque », qui a été, pour ainsi dire, la toute première source chimique d’électricité. Cette découverte a considérablement élargi la gamme de tensions avec laquelle les chercheurs ont pu travailler. La pile était constituée de disques de cuivre et de zinc alternés, avec, entre chaque paire de disques, une surface de tissu de laine imbibé d'une solution électrolytique.

Ici, un électrolyte peut être une solution d’un acide fort (HCl, H2SO4), d’un alcali (KOH, NaOH) ou d’un sel (NaCl, ZnSO4). En solution, tous ces composés se dissocient en particules chargées (ions). Ils servent de porteurs decharge, aidant les charges à « migrer » du zinc vers le cuivre. Le simple fait d’agréger des morceaux de zinc et de cuivre ne fonctionnerait pas : les transitions auraient seulement lieu aux points de contact entre les deux métaux. Un tel système ne serait pas vraiment différent d’un morceau de métal ordinaire.

Il est intéressant de noter que les piles voltaïques massives (contenant plus de 2100 paires de disques dans un seul appareil !) possèdent suffisamment de puissance pour créer un arc électrique : phénomène provoqué par l’ionisation de l’air due à une source de courant puissante. Les molécules dans l’air (principalement N2 et O2) sont normalement neutres. Cependant, quand elles se heurtent à des extrémités de conducteurs connectés à une pile voltaïque aussi énorme, ces molécules deviennent ionisées – elles acceptent ou donnent des électrons. Ce processus fait boule de neige et crée une zone entière d’air ionisé – du plasma, qui conduit l’électricité.

Qu’est-ce qu’une diode, et comment fonctionne-t-elle ?

Une diode est un minuscule appareil qui peut conduire l’électricité (dans une direction) et parfois transformer cette énergie en application utile. Dans le cas présent, il s’agit d’une diode électroluminescente (LED) : elle brille lorsqu’elle conduit un courant électrique.

Toutes les diodes actuelles reposent sur des semi-conducteurs – des matériaux spéciaux dotés d’une faible électroconductivité, qui peut s’améliorer dans certaines circonstances (comme lors de l’application de chaleur). Au fait, qu’est-ce que la conductivité électrique ? C’est la capacité d’un matériau à conduire le courant électrique.

Fait intéressant, contrairement à un conducteur ordinaire, toute diode contient deux « types » de semi-conducteurs. Même le mot «  diode » (du grec δίς) indique qu’elle est composé de deux éléments : une anode et une cathode.

L’anode d’une diode est constituée d’un semi-conducteur contenant ce qu’on pourrait appeler des trous : des régions vides pouvant être remplies d’électrons. Ces trous peuvent être décrits comme des étagères vides conçues spécifiquement pour les électrons. De plus, ces « étagères » peuvent, dans une certaine mesure, se déplacer librement à travers toute l’anode. La cathode d’une diode est également constituée d’un semi-conducteur. Ce deuxième semi-conducteur est toutefois différent : il contient un excès d’électrons qui, eux aussi, peuvent se déplacer presque librement à travers toute la cathode.

Cette construction permet notamment aux électrons de traverser librement une diode dans une direction, mais interdit leur déplacement dans la direction opposée. Lorsque les électrons se déplacent d’une cathode vers une anode, les électrons « libres » de la cathode tombent sur les emplacements vides d’électrons (les « étagères ») dans l’anode. Les électrons vont alors occuper volontiers ces vides dans l’anode, ce qui permet au courant de se déplacer plus loin.

Maintenant, imaginons que les électrons soient enclins à se déplacer dans la direction opposée. Ils devraient quitter leurs étagères confortables et se déplacer dans un matériau qui n’a pas d'étagères du tout ! C’est un inconvénient évident pour les électrons, et c’est la raison pour laquelle le courant ne circule pas dans cette direction.

Ainsi, toute diode fonctionne comme une sorte de clapet anti-retour pour l’électricité : le courant traverse une diode dans un sens, et ne peut pas passer dans le sens opposé. Cette propriété unique rend les diodes très utiles en électronique. Tout ordinateur, smartphone, ou tablette dispose d’un processeur contenant des millions de dispositifs microscopiques de type diode, appelés transistors.

Les diodes électroluminescentes, quant à elles, sont utilisées pour l’éclairage et la signalisation. Les composants semi-conducteurs d’une diode qui produit de la lumière sont sélectionnés avec soin. Une certaine combinaison de semi-conducteurs crée un système dans lequel le transfert d’électrons d’une cathode vers les emplacements vides d’une anode est accompagné de l’émission d’un photon, c’est-à-dire d’une portion de lumière. Des semi-conducteurs différents produisent des lueurs de couleurs différentes. Les diodes offrent une certaine sécurité et un rendement élevé, ou un degré élevé de conversion du courant électrique en lumière, par rapport aux autres sources électriques de lumière.