Collège René CASSIN de GUENANGE

CHIMIE 3ème : Pourquoi certains liquides sont-ils conducteurs de l’électricité ?

et pas d’autres ?

mercredi 7 novembre 2018 par M Pernigotto

Cette semaine les élèves de 3ème ont travaillé sur la conduction de l’électricité dans les liquides. Ils ont rapidement trouvé une expérience pour tester les différentes solutions aqueuses proposées :

test_conduction_liquide

Voici ci-dessous une petite animations extraite de l’excellentissime site PCCL - Physique Chimie au Collège et au Lycée, pour revivre l’expérience réalisée en classe (sans l’ampèremètre).

Expérience mise au point par les élèves. Ils avaient également ajouté un ampèremètre, au cas où le courant n’était pas suffisant pour allumer la lampe. Déplacez les béchers avec la souris pour observer si le liquide est conducteur.

Les résultats sont assez clair : l’eau salée et la solution de sulfate de cuivre sont conductrices, alors que l’eau pure (déminéralisée) ainsi que l’eau sucrée ne laissent pas passer le courant.

C’est donc bien l’ajout d’un soluté qui va provoquer la conduction électrique. Mais pas n’importe quel soluté ! Le sel ou le sulfate de cuivre, mais pas le sucre.

La question qui se pose alors c’est : Pourquoi une telle différence, comment l’expliquer ?

Un simple test permet de montrer que les cristaux de sel (non dissous) ne sont pas conducteurs. Il en va de même pour le sucre solide, non conducteur également.

Il faut donc se pencher sur la structure de l’eau salée et la comparer avec celle de l’eau sucrée.

Rappelons au passage que le nom scientifique du sel de cuisine est "chlorure de sodium", de formule NaCl.

Voyons cela en détail grâce aux animations suivantes :

On observe comment les molécules d’eau s’y prennent pour dissoudre les cristaux de sel : elles s’agglutinent autour des particules de sel pour les décrocher du cristal de chlorure de sodium, puis elles les entraînent avec elles. On observe également qu’il y a deux types de particules dans le sel !

En cliquant sur "zoom" vous pouvez voir le détail de la solvatation du chlorure de sodium (sel). On dispose ici d’une information supplémentaire : le sel est constitué en fait de deux type de particules, les unes positives (appelées IONS SODIUM), les autres négatives (appelées IONS CHLORURE). Le sel n’est en fait pas constitué de molécules, mais de nouvelles particules appelées IONS.

Le sucre quant à lui, n’est pas constitué d’ions mais de molécules, qui ne sont pas chargées électriquement.

Et c’est bien cette différence qui va être fondamentale !

Rappelez-vous : le (+) attire le (-) et réciproquement ! C’est ce qui expliquait le transport des électrons dans les conducteurs solides comme les métaux (voir mon article CHIMIE 3ème : De quoi est fait le courant électrique ? à ce sujet).

Lorsqu’on plonge les électrodes dans la solution d’eau salée, l’une est reliée au (+) de la pile, et l’autre au (-).

Les ions POSITIFS vont donc être attirés vers le (-) de la pile et les ions NEGATIFS vers le (+) ! On dit que les ions MIGRENT.

Une petite animation (ci-dessous) s’impose pour bien comprendre. Cliquez sur la petite loupe près des électrodes pour observer le contenu de la solution d’eau salée.

Nature du Courant

On peut cliquer sur l’icône "ampoule" pour atténuer la présence des molécules d’eau, qui gènent un peu la vision. On remarque :
- Si l’interrupteur est ouvert, les ions chlorure (en vert) et sodium (en violet) vont dans tous les sens de manière désordonnées.
- Si l’interrupteur est fermé, alors on voit bien que les IONS POSITIFS (SODIUM, violet) se dirigent tous vers le (-) de la pile, et les IONS NEGATIFS (CHLORURE, vert) vers le (+) !

On peut également se souvenir du sens des électrons en zoomant sur le fil électrique (loupe).

En quoi cela explique-t-il la conduction du courant dans les liquides ? On a des particules (les ions) qui se promènent dans le liquide, et qui vont se diriger pour certaines vers le (+), pour d’autres, vers le (-). Et alors ????

Rappelons que le courant électrique est constitué d’électrons qui se déplacent tous ensemble.

Les électrons qui parcourent le circuit ci-dessus, arrivent à un moment donné sur l’électrode dans le liquide, et doivent passer d’une façon ou d’une autre sur l’autre électrode pour qu’on puisse allumer la lampe et considérer que "le courant passe".

Oui mais… les électrons "ne savent pas nager" !!! Autrement dit, ils sont incapables de se déplacer dans une solution aqueuse comme celle-ci !

C’est ici qu’interviennent nos ions positifs et négatifs !

Le premier petit électron qui arrive sur le bord de l’électrode négative (reliée au (-) ), est peu enclin à sauter dans le liquide mais, poussé par ses collègues électrons du fil électrique, il va se faire happer par le premier ion positif qui le trouve ! Dans le cas de l’eau salée, c’est un ion sodium (en violet), qui va gober le pauvre petit électron !!!

Au même moment de l’autre côté, c’est un ion chlorure négatif (en vert), qui va déposer un autre petit électron (strictement identique) sur l’électrode positive !

Tout se passe donc comme si notre premier petit électron avait sauté d’un coté à l’autre ! Mais bien sûr ce n’est pas lui qui se retrouve de l’autre côté. Peu importe ! personne ne s’en rend compte (à part nous !), et ainsi les électrons peuvent "poursuivre leur chemin" jusqu’au (+) du générateur…

… ET "LE COURANT PASSE" !

Oui, "le courant passe" lorsqu’il y a des ions, positifs et négatifs, capable de gober les électrons du côté (-) et d’en déposer des autres du côté (+). C’est cela "le courant électrique dans les liquides" : un déplacement de particules chargées appelées ions, dans les deux sens. Si le liquide ne contient que des molécules électriquement neutres, celles-ci ne sont pas attirées vers l’une ou l’autre des électrodes et ne peuvent ni gober un électron, ni en déposer de l’autre côté. Le courant "ne passe pas".

Pour terminer, comme l’ont fait très justement remarquer de nombreux élèves, cela signifie que cette conduction électrique n’est pas perpétuelle, mais qu’elle s’arrêtera lorsque tous les ions sodium et chlorure auront été consommés. Il faudra alors rajouter du sel pour relancer la conduction.

Pour expérimenter virtuellement l’ajout de sucre et de sel dans l’eau et observer les résultats sur l’éclat de la lampe, en réglant les proportions, voici une excellente animation interactive au format jar (java) :

Zip - 3.5 Mo

Cliquer et enregistrer pour la faire fonctionner. Les onglets "micro" et "eau" permettent de voir ce qu’il se passe réellement au niveau microscopique (ions pour le sel et molécules pour le sucre).


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