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La conduction électrique dans les solutions

Utiliser un appareil électrique dans un bain est très dangereux car l'eau est très conductrice. Mais comment le courant électrique peut-il circuler dans l'eau ?
Réponse : si l'eau était totalement pure, elle ne conduirait pas le courant électrique. Ce sont donc certaines substances présentes dans l'eau qui permettent la conduction du courant. Quelles sont les propriétés de ces substances ?
I. Quelles solutions sont conductrices ?
•  Démarche expérimentale
Hypothèse : tous les liquides ne conduisent pas le courant.
Pour le savoir, réalisons l'expérience suivante.
•  Protocole : à l'aide du montage ci-dessous, nous comparons la conduction de trois liquides : l'eau distillée, l'eau du robinet sucrée, l'eau minérale et l'eau du robinet salée. La lampe ne s'allume que si le courant est suffisamment intense.
•  Observation : nous constatons que la lampe s'allume en utilisant de l'eau salée. L'intensité du courant est alors suffisante pour allumer la lampe (environ 250 mA).
En revanche, dans l'eau distillée, l'intensité du courant est très faible (environ 1 mA) et dans l'eau sucrée et l'eau minérale, elle est encore trop faible (environ 10 mA) pour permettre à la lampe de briller.
•  Interprétation : quelle est la différence entre ces solutions ?
L'eau distillée est une eau quasiment pure. L'eau sucrée contient de l'eau et des molécules de sucre. L'eau minérale contient des sels minéraux.
On s'aperçoit ici que ce n'est pas l'eau qui est responsable de la conduction, mais des espèces dissoutes dans l'eau. Si l'eau contient du sel ou des sels minéraux, elle conduit davantage.
On dit que l'eau salée et l'eau minérale sont des solutions ioniques car elles contiennent des ions.
Dans une solution ionique, ce sont donc les ions qui permettent le passage du courant : plus la solution contient d'ions, plus la solution ionique est conductrice.
•  Bilan : Tous les liquides ne conduisent pas le courant.
•  Remarque : des eaux ne contenant pas d'ions ne sont pas forcément des eaux pures ; elles peuvent contenir d'autres molécules (ou atomes) que des molécules d'eau.
II. Qu'est-ce qu'un ion ?
•  Un atome est électriquement neutre. Par exemple, l'atome de magnésium compte 12 charges positives portées par son noyau et 12 charges négatives portées par ses 12 électrons.
•  Un ion, en revanche, est une particule chargée. Par exemple, l'ion magnésium porte 2 charges positives. Il faudrait, en fait, dire que l'ion magnésium compte un excès de 2 charges positives par rapport aux charges négatives. Comment cela est-il possible ?
•  Dans l'atome de magnésium, 2 électrons tournent autour du noyau sur l'orbite la plus extérieure. Ils sont donc peu liés au noyau et peuvent, sous l'effet de causes diverses, s'échapper de l'atome. Un ion magnésium est un atome qui a perdu 2 électrons ; il compte toujours 12 charges positives mais seulement 10 charges négatives. Il possède 2 charges positives en excès, d'où l'écriture Mg2+. Un ion chargé positivement est donc un atome qui a perdu un ou plusieurs électrons.
•  Un ion peut également gagner des électrons, c'est-à-dire des charges négatives. Il possède alors des charges négatives en excès. Ainsi, l'ion chlorure est un atome de chlore qui a gagné 1 électron, d'où l'écriture Cl-. Cet ion compte 17 charges positives et 18 charges négatives. Un ion chargé négativement est donc un atome qui a gagné un ou plusieurs électrons.
•  Remarques :
  • un groupement d'atomes peut également perdre ou gagner des électrons. Par exemple, le groupement composé d'1 atome de soufre et de 4 atomes d'oxygène peut gagner 2 électrons : il compte alors 2 charges négatives en excès et s'écrit ;
  • le nombre de charges positives du noyau reste toujours identique.
III. En quoi les ions sont-ils responsables de la conduction ?
•  Certaines solutions ioniques colorées doivent leur couleur à la présence d'ions particuliers. Ainsi, une solution bleue de sulfate de cuivre de formule (Cu^{2+} + SO_{4}^{2-}) doit sa couleur à la présence des ions cuivre Cu^{2+}, tandis qu'une solution de permanganate de potassium de formule (K^{+} + MnO_{4}^{-}) est violette à cause des ions manganate MnO_{4}^{-}
Pour connaître le sens de déplacement des ions, réalisons l'expérience suivante en utilisant ces solutions ioniques colorées.
•  Protocole : on dépose sur une feuille de papier filtre imbibée d'eau salée un mélange des deux solutions colorées précédentes et on soumet cette feuille à la tension d'un générateur.
•  Observation : on constate que les couleurs bleue et violette se séparent : le bleu se déplace vers la borne « – » du générateur, tandis que le violet se déplace vers la borne « + » du générateur.
•  Interprétation : la couleur bleue est due aux ions cuivre Cu^{2+}, ions positifs, qui se déplacent vers la borne « – » du générateur, c'est-à-dire dans le sens conventionnel du courant. Au contraire, la couleur violette est due à des ions négatifs, les ions permanganate MnO_{4}^{-}, qui se déplacent vers la borne « + » du générateur.
•  Le courant électrique est dû à un déplacement d'ions dans une solution.
• On a vu que les solutions sont conductrices du courant. L'eau du robinet contient différents ions : sodium chlorure… Elle est conductrice du courant. Il y a donc un risque d'électrocution ou d'électrisation dû à la conduction du courant électrique par l'eau du robinet (baignoire, fuites d'eau).
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