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Objectif : Justifier le caractère réducteur des métaux du bloc s.
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Problématique de l'activité
En 2018, la start‑up française Tiamat a levé 3,6 millions d'euros pour finaliser la mise au point d'une nouvelle génération de batterie basée sur la technologie sodium‑ion.
Quels métaux peuvent remplacer le lithium ?
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Doc. 1
Batterie sodium‑ion de Tiamat
À l'instar des systèmes de stockage électrochimiques,
la batterie Na‑ion est composée de deux électrodes
(cathode et anode) et d'un électrolyte. Elle fonctionne
sur le même principe qu'un accumulateur Li‑ion,
sauf que ce sont des ions sodium qui circulent entre la
cathode et l'anode. Le prototype de batterie 18 650 de
Tiamat détient une densité d'énergie de 90 W⋅h⋅kg-1 et
une durée de vie dépassant les 4 000 cycles. Le système
Na‑ion de Tiamat a une espérance de vie de plus de dix
ans (contre quatre ans pour des batteries Li‑ion)
et sa charge/recharge est dix fois plus rapide.
Extrait d'Infochimie Magazine, février 2018.
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Doc. 2
Alcalins
Un métal alcalin est un élément chimique de la
première colonne du tableau périodique, à l'exception
de l'hydrogène. Il s'agit de métaux du bloc s ayant un
électron dans [leur couche externe] de valence.
D'après « Métal alcalin », Wikipedia.org.
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Doc. 3
Impact écologique du lithium
Le zoom est accessible dans la version Premium.
En Amérique du Sud, le triangle du lithium (Argentine,
Bolivie et Chili) représente plus de la moitié de
l'approvisionnement mondial en lithium.
Le lithium se terre sous des salines dans les nappes
phréatiques du désert. Cette saumure est ensuite laissée
dans des bassins pendant 12 à 18 mois. L'eau s'évapore
et laisse apparaître un mélange de minéraux dont le
précieux lithium, déjà surnommé « l'or blanc ». Si le
procédé est peu coûteux et efficace, il utilise beaucoup
d'eau. Dans le Salar de Atacama, au Chili, les activités
minières ont consommé 65 % des ressources en eau de
la région. Pour produire 1 tonne de lithium, l'industrie
consomme près de 2 millions de litres d'eau.
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Doc. 4
Anode efficace
Une pile, ou une batterie lors de sa décharge, fournit
de l'électricité grâce à une réaction d'oxydoréduction.
Les électrons circulent de l'anode vers la cathode par le
circuit extérieur. Une anode est une électrode capable
de fournir facilement des électrons au système.
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Questions
Compétence(s)
COM : Rédiger un compte rendu scientifiquement rigoureux RAI/ANA : Construire un raisonnement
1. Donner les configurations électroniques des atomes de lithium et de sodium. Préciser
la configuration électronique la plus stable de ces métaux alcalins.
2. En déduire la forme ionique des métaux alcalins dans la nature.
3. Dans le cas d'une batterie \text{Li}‑ion ou \text{Na}‑ion, préciser, en justifiant, si les métaux alcalins sous leur forme atomique constituent la cathode ou l'anode.
4. Expliquer pourquoi le sodium peut être utilisé en remplacement du lithium.
5. Lister les avantages à remplacer le lithium des batteries par le sodium.
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Synthèse de l'activité
Déterminer la propriété des métaux alcalins qui est exploitée dans les batteries.
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