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Expériences d'
ÉLECTROCHIMIE

Giorgio Carboni, Janvier 1998
Traduction de Caroline Varin, août 2007

 


TABLE DES MATIÈRES


INTRODUCTION

En 1791 Luigi Galvani découvrit que de l'électricité circulait dans les nerfs des grenouilles qu’il disséquait. Il pensa qu'elle était d’origine animale, et qu’elle ne pouvait se trouver que dans les tissus vivants. Quelques années plus tard, en 1800 Alexandre Volta découvrit que l’électricité pouvait être produite sans avoir recourt à des substances organiques. En effet, en utilisant de petits copeaux de cuivre et de zinc séparés par un bout d’étoffe trempé dans une solution acide, il construisit une batterie – le premier appareil capable de produire de l’électricité. Les mauvaises langues ont été promptes à prédire que l’électricité n’aurait jamais un rôle utile. Bien évidemment elles se fourvoyaient. L’électricité a un rôle central dans nos vies et de nos jours l’électrochimie est enseigné aussi dans les écoles.

En écoutant un cours d’électrochimie, beaucoup d’étudiants se demandent pourquoi cette matière a été inventée, si c’était vraiment nécessaire de l’inventer, et si le monde ne se porterait pas mieux sans elle. Avec les petites expériences qui vont suivre, nous espérons signer la paix entre ces étudiants et l’électrochimie. Ces expériences amusantes et simples peuvent permettre de comprendre l’essentiel de ce domaine sans torturer les étudiants. Comme vous allez le voir, beaucoup de ces démonstrations sont facilement adaptables à de nombreuses configurations, et chacune de ces dernières peut être faite indépendamment des autres.

VASE POREUX – un vase poreux, adapté à ce type de manipulations, peut être difficile à obtenir. Il permet d’éviter le mélange rapide des différentes solutions, tout en permettant l’échange d’ions. Pour obtenir des vases poreuses, vous pouvez user du cellophane, un film fin et transparent constitué d'hydrate de cellulose. Le Cellophane est une membrane semi-permeable très adapte à ce but. Faites attention car les pellicules transparentes ne sont pas toutes du cellophane, mais souvent elles sont en polypropylène (plastique). Il est facile de distinguer ces deux matériaux en faisant tomber quelque gouttes dessus. Le cellophane se déforme légèrement et il laisse passer de l'humidité de l'autre coté, tandis que la pellicule en plastique ne se déforme pas et ne laisse pas passer de l'humidité. Donc, avec une feuille de cellophane, réalisez un cylindre et collez-le avec du silicone au fond du vase principal de manière qu'il soit étanche. Une autre solution est d’utiliser un morceau de papier. Comme le montre la figure 5, roulez le papier pour former un cylindre et collez le dans le fond du récipient principal en utilisant une colle au silicone. Une barrière avec un seul morceau de papier serait trop perméable, donc utilisez au moins trois épaisseurs de papier quand vous réalisez cette manipulation.

EAU DISTILLÉE – n’utilisez pas d’eau déminéralisée à la place de l’eau distillée. Souvent, l’eau vendue en tant qu’eau distillée pour les taches domestiques est en fait de l’eau déminéralisée. Les pharmacies vendent encore de l’eau distillée. Quelle est la différence ? Beaucoup de substances sont solubles dans l’eau et beaucoup d’entre elles se dissocient en cation (ions positifs) et anion (ions négatifs) lors de cette mise en solution. En général, tous ces ions proviennent de molécules qui ont des liaisons ioniques (autrement dit que l’eau arrive à briser), alors que les molécules ‘non ioniques’ restent intactes dans l’eau – elles sont juste entourées de molécules d’eau mais ne se rompent pas. Par exemple, le sucre comme le sel se dissolvent dans l’eau. Cependant, le sel se dissout en formant un anion chlore et un cation sodium, alors que les molécules de sucre restent intactes. L’eau déminéralisée peut contenir un grand nombre de substances qui bien que non ioniques sont présentes malgré tout. En plus de tout cela, une eau déminéralisée de mauvaise qualité peut contenir une quantité non négligeable d’ions. Alors que d’un autre coté l’eau distillée est très pure ne contenant que des molécules d’eau.

OÙ TROUVER LE MATÉRIEL – Vous pouvez acheter les produits chimiques dans un magasin spécialisé dans le matériel et les produits de laboratoire. Souvent ce type de magasin est à proximité des universités. Quelques quincailliers ou épicerie peuvent vous fournir les produits chimiques dont vous avez besoin pour cette expérience. Vous pouvez souvent trouver des tôles de cuivre et de zinc chez les entreprise de fabrication de gouttières et chez les entreprises de galvanisation. Pour le premier essai, vous pouvez aussi utiliser une pièce de cuivre et une cheville ou une vis galvanisée (recouverte de zinc).

CATHODE ET ANODE – Dans cet article, je parlerais souvent d’anode et de cathode. Comme vous l’avez sûrement remarqué, dans certains cas la cathode a été assignée au pole positif, et dans d’autres cas au pole négatif. Cela est du au fait que la CATHODE est l’électrode où a lieu la REDUCTION. Dans le cas de la batterie, cette réduction a lieu spontanément et consomme des électrons, donc la cathode a une charge positive. Dans le cas de cellules électrolytique, la réduction est forcée, produisant alors des électrons, donc la cathode a une charge négative. L’anode aura dans chaque cas la charge opposée à celle de la cathode.

SOLUTIONS (IMPORTANT) – N'utilisez pas des acides forts. La dilution des acides est dangereuse. Quand l’eau est ajoutée à un acide concentré, cela peut exploser violemment, provoquant de sérieuses blessures et brûlures. N'ajoutez jamais de l’eau dans l’acide. Il est nécessaire d'ajouter toujours l’acide dans l’eau. Si vous devez diluer un acide, demandez l’aide d’un chimiste. Quand vous réalisez la solution de sulfate de cuivre ou de sulfate de zinc, ajoutez ces composés chimiques à l’eau plutôt que l’inverse.

AUTRES PRECAUTIONS – Faites attention de ne pas mettre les produits chimiques de ces expériences sur votre peau ou sur vos mains (sinon rincer abondamment à l’eau). Ne les mettez pas dans la bouche et ne les mangez pas. Ne respirez pas les vapeurs de ces produits chimiques. Ne les conservez pas dans une bouteille ou un récipient qui pourrait être confondu avec un récipient contenant de la nourriture. Ne les laissez pas dans des lieux qui pourraient faire croire que c’est de la nourriture (comme la table de la cuisine, ou sur le buffet ou le réfrigérateur). Stockez les séparément, des endroits surs, loin de la nourriture et hors de portée des mains des enfants. Etiquetez chacun des récipients clairement avec le nom du composé et un symbole qui indique que ce n’est pas comestible et dangereux. Un adulte doit toujours être présent pendant les expériences pour éviter tout danger. Dans tous les cas, nous dégageons toutes responsabilités.


CONDUCTEURS

Matériel:

- une batterie
- une lampe avec une douille et un culot
- Trois fils avec des pinces crocodiles
- Un pot en verre ou un bécher
- Eau distillée
- Deux électrodes du même matériau (cuivre par exemple)
- Sel de table
- Un ampèremètre

En utilisant les différents objets proposés ci-dessus, construisez le schéma de la figure 1 (qui est connu comme un testeur de conductivité). Comme vous pouvez le voir, il y a une rupture dans le chemin électrique entre la pile et la lampe. En utilisant les différents objets de la vie de tous les jours (comme un stylo en plastique, un effaceur, un morceau de céramique, etc. …) essayer de fermer le circuit et de voir si la lampe brille.

 

Vous remarquerez que les objets métalliques permettent à la lampe de s’allumer alors que la plupart des autres ne le permettent pas. En fait, les métaux sont des très bons conducteurs d'électricité. Essayez d’utiliser le graphite (aussi connu sous le nom de mine) d’un crayon. Vous remarquerez que ce matériau permet à la lampe de briller, plus ou moins fort, selon la longueur de la mine de graphite. C’est parce que le graphite, lui aussi conducteur présente une certaine résistance au passage de l’électricité. En utilisant ce test, vous pouvez classer les matériaux en deux catégories : les conducteurs et les non conducteurs. Les non-conducteurs sont aussi appelés isolants. Il y a beaucoup de solides qui ont des propriétés intermédiaires entre celles des conducteurs et des isolants, comme le graphite.

 

Qu’en est-il de l’eau?
Modifions le circuit précédent pour mesurer à présent la conductivité de l’eau (voir figure 2). À la place de la lampe, nous utiliserons un ampèremètre (sur le calibre des microampères) pour savoir si la solution conduit.

Ce dispositif sera beaucoup plus sensible et nous permettra de quantifier le flux électrique. Remplissez le récipient avec de l’eau distillée et placez les électrodes dans l’eau comme montrer ci à coté. Attention de ne pas court-circuiter les électrodes entre elles. L’ampèremètre indiquera une très faible circulation de courant.
Ce courant est du à la présence d’ions H+ et OH- produits quand quelques-unes des molécules d’eau se dissocient et se recomposent spontanément (dismutation, aussi appelé autoprotolyse pour l’eau). Le nombre des molécules qui se dismute à chaque instant est très faible, et c’est pour cela que l’eau distillée est un très mauvais conducteur.
Sans rien changer au dispositif, placez un grain de sel dans l’eau et avec une baguette en verre ou en plastique remuez l’eau pour mélanger la solution. Au fur et à mesure que le cristal de sel se dissout, l’aiguille de l’ampèremètre va bouger significativement, indiquant une augmentation de la conductivité de la solution d’eau salée. Nous conservons le même dispositif dans les deux expériences, mais vous pouvez aussi réaliser cette expérience sans la pile, et régler l’ampèremètre en ohmmètre pour lire la résistance. Comme l’ohmmètre possède une batterie interne il rend le montage moins compliqué.

 

Que se passe-t-il? Pourquoi le sel augmente-t-il la conductivité électrique de l’eau ?
Le sel de cuisine est composé de molécules de chlorure de sodium (NaCl). L’eau ne se contente pas de séparer les molécules de sel les unes des autres, mais elle dissocie également chacune de ces molécules en deux parties : « sodium » et « chlore ». Lors de leur séparation, les atomes de sodium et de chlore qui constituent la molécule de sel, subissent un changement. L’élément sodium a naturellement un électron excédentaire pour être “stable”, alors que le chlore a naturellement tendance à capter un électron libre pour devenir “stable” lui aussi; donc lors de leur séparation, le sodium “donne” un électron au chlore. De cette manière, les deux atomes ne sont plus électriquement neutres, et forment ce qu’on appelle des ions : le sodium ayant perdu un électron possède plus de protons que d’électrons, et a donc une charge positive (c’est un cation), alors que le chlore qui a gagné un électron, possède plus d’électrons que de protons, et a donc une charge négative (c’est un anion). Les molécules de sel, tout comme les acides et les bases se dissocient dans l’eau pour former des ions. Lors de la dissociation, et pour respecter la neutralité, ils se forment des particules de charge opposée. Ce sont les ions qui rendent l’eau conductrice. Les ions positifs – ou cations – migrent vers l’électrode négative, et les ions négatifs – ou anion – migrent vers l’électrode positive.

Dans notre expérience, ce sont les ions Na+, et Cl- qui permettent cette conductivité dans l’eau distillée. Ce type de solution – qui contient des ions – se nomme électrolyte. Le privilège de dissocier des composés en ions n’est pas réservé à l’eau. D’autre solvants peuvent réaliser cette prouesse, pour former des solutions électrolytiques. Si vous ajoutez plus de sel dans la solution, vous verrez que l’aiguille indique une augmentation au fur et à mesure de l’ajout. En effet, la conductivité de la solution est proportionnelle à la concentration en ions de cette solution.

Essayons la même expérience, mais à la place du sel, utilisons un acide – du vinaigre par exemple. Remplissez le récipient initial avec de l’eau distillée et mélangez-y quelques gouttes de vinaigre tout en regardant ce qu’indique l’ampèremètre. Essayez la même chose avec une base comme l’ammoniaque domestique. Comparez la conductivité de l’eau du robinet avec celle de l’eau distillée. Vous constaterez que l’eau du robinet est un bon conducteur électrique. C’est pour cela qu’il faut être vraiment vigilant en manipulant l’électricité avec les mains mouillées. Beaucoup de gens sont morts en utilisant des objets électriques comme le sèche cheveux à proximité d’eau.

Vous devriez avoir remarqué que, à l’inverse de la conduction dans un métal, dans les solutions le courant se propage par déplacement d’ions qui réagissent chimiquement sur les électrodes, alors que dans les solides, ce sont les électrons qui se déplacent pour conduire le courant… On ne trouve jamais d’électrons en solution. Les électrons ne savent pas nager! A long terme, les réactions aux électrodes tendent à les polariser. Ce phénomène est ce qui provoque l’usure de la batterie et les mesures que nous avons faites avec nos expériences varient avec le temps. Dans les instruments commerciaux pour la mesure de la conductivité de l'eau, les électrodes sont faites avec un métal inerte (non réactif), et on utilise un courant alternatif de faible amplitude.

Comment peut on observer un courant dans les métaux s’il n’y a pas d’ions qui se déplacent?
Dans les métaux, tous les atomes partagent les électrons de leur couche électronique externe et ces électrons sont libres de se déplacer n’importe où dans le métal. Si une tension est appliquée à un objet métallique, les électrons entrent dans l’objet par un coté et en ressortent par l’autre créant ainsi un courant électrique dans l’objet.

Le passage des électrons dans un conducteur provoque une augmentation de l’amplitude des oscillations des atomes dans le réseau cristallin, autour de leur position d’équilibre. Cela se traduit par une augmentation de la température de l’objet (c’est l’Effet Joule). C’est ce phénomène qu’on utilise pour produire de la lumière dans les lampes à incandescence. Le flot d’électrons qui passe dans le filament provoque une augmentation de sa température de quelque milliers de degrés. À cette température le filament émet une lumière intense.

Pourquoi les plastiques, les gommes, et les céramiques ne conduisent-elles pas le courant?
Cela est du au type de liaisons chimiques de ces composés, qui sont appelés covalentes. À la différence des liaisons métalliques dont nous avons parlé, une liaison covalente ne permet pas aux électrons de se déplacer librement dans le matériau. Les électrons sont échangés seulement au sein de chaque molécule composant le matériau et ne peuvent se déplacer d’une molécule à l’autre. Comme il n’y a pas de mouvement d’électrons dans le morceau étudié, et aucun mouvement d’ions parce que le matériau est un solide, il ne peut y avoir conduction de charges électriques.

Malgré ce que nous avons dit sur les conducteurs et les isolants, en appliquant une tension suffisante dans une épaisseur de matériau assez fine, on peut observer que tous les matériaux deviennent conducteurs. Cependant, si on considère que tous les matériaux sont conducteurs, il devient nécessaire de connaître la conductivité électrique de chaque matériau pour pouvoir déterminer dans quelle mesure un matériau donné conduira le courant.

Dans cette expérience, nous avons vu que certains solides vont conduire l’électricité mieux que d’autres (les métaux mieux que les gommes, les plastiques, les céramiques…). Nous avons aussi vu que certains liquides sont de meilleurs conducteurs que d’autres. Alors que la conductivité d’un solide dépend du mouvement des électrons au sein de la structure cristalline, la conductivité d’un liquide dépend du mouvement des ions.


BATTERIES
LA BATTERIE AU CITRON

Matériel:

- un citron
- une lame de cuivre
- une lame de zinc
- un voltmeter
- deux cables avec des pinces crocodiles
- un thermomètre ou une horloge avec un écran à cristaux liquides (LCD)

Roulez le citron fermement avec la paume de vos mains sur un plan de travail ou sur une autre surface assez rigide pour rompre une partie des sacs qui contiennent le jus dans le citron. Insérez les deux lames de métal dans le citron, en faisant attention à ce qu’elles ne se touchent pas entre elles. En utilisant le voltmètre, mesurer la différence de potentiels (ou tension) produite entre les deux lames (figure 3). Vous devez trouver une valeur proche de 1 volt.

Il serait sympa de pouvoir allumer une lampe à douille avec la puissance de votre nouvelle batterie au citron, mais malheureusement, elle n’est pas assez puissante. Si vous essayez d’allumer votre ampoule avec un tel dispositif, la tension entre les deux lames tombera tout de suite à 0 Volts. Sachant cela, si vous voulez démontrer que le courant produit par votre batterie est capable d’alimenter quelque chose, essayez avec un petit dispositif, comme un système LCD.

Un dispositif LCD consomme une quantité de courant vraiment très faible, et votre batterie au citron est capable de fournir convenablement ce genre de puissance. Enlevez les batteries classiques qui alimentent votre horloge ou votre thermomètre et branchez les à la batterie au citron. Vous devez commencer à observer un fonctionnement normal de votre appareil. Si ce n’est pas le cas, essayez de permuter la polarité du courant de votre batterie au citron (changer les fils de sens). Ce système vous permet de démontrer que la batterie produit une énergie même si vous n’avez pas de voltmètre.

Comment fonctionne cette batterie?
L’atome de cuivre (Cu) attire plus les électrons que l’atome de Zinc (Zn). Si vous placez une pièce de cuivre en contact avec une pièce de zinc, de nombreux électrons vont passer du zinc vers le cuivre. Comme ils se concentrent dans le cuivre, les électrons se repoussent les uns les autres. Quand les forces de répulsion entre les électrons et les forces d’attraction des électrons du cuivre sont égales, la migration d’électrons s’arrête. Malheureusement, il n’y a pas moyen de tirer partie de ce comportement parce que la migration des charges s’arrête assez rapidement. Au contraire, si vous plongez les deux lames dans une solution conductrice, et que vous les reliez à l’extérieur par un fil, la réaction entre les électrodes et les solutions alimente le circuit continuellement en charges électriques. De cette manière, le processus qui produit de l’énergie se poursuit et devient utile.

Comme solution conductrice, vous pouvez utiliser n’importe quel électrolyte, que ce soit un acide, une base, ou une solution saline. La batterie au citron fonctionne bien parce que le jus de citron est acide. Essayez la même manipulation avec des solutions d’autre nature. Comme vous devez le savoir, d’autres fruits et légumes contiennent aussi du jus riche en ions et sont également d’excellents conducteurs. Vous n’êtes donc pas limités à l’utilisation d’un citron pour ce type de batterie, mais vous pouvez faire des batteries avec n’importe quel fruit ou légume de votre choix.

Comme pour n’importe quelle batterie, aussi la batterie au citron a une durée de vie limitée. Les électrodes subissent des réactions de polarisation qui bloquent la production d’électricité. La force électromotrice (tension produite par la batterie) diminue et la batterie arrête de fonctionner. En général, ce qui a lieu est la production d’hydrogène sur l’électrode de cuivre et un dépôt d’oxyde apparaît sur la lame de zinc, mettant ainsi une barrière entre le zinc et l’électrolyte. Ceci est dû au fait que les électrodes sont polarisées. Pour parvenir à produire des batteries avec une vie plus longue, des voltages plus importants, et un courant plus important, il est nécessaire d’utiliser des électrolytes plus adaptés. Les batteries commerciales, en plus de leur électrolyte normal, contiennent des substances chimiques qui ont une affinité avec l’hydrogène; un des aditifs se combine avec l’hydrogène avant qu’il ne polarise les électrodes.


LA PILE DE DANIELL

Matériel :

- une lame de cuivre
- une lame de zinc
- un bécher large, bocal ou autre récipient adapté
- un vase poreux, comme décrit dans l’introduction
- un tube en plastique pour arroser
- coton
- 100g de sulfate de cuivre  (CuSO4)
- 100g de sulfate de zinc (ZnSO4)
- 5g de nitrate de potassium (KNO3)
- 5g chlorure de sodium (NaCl) si le nitrate de potassium n’est pas disponible
- un litre d’eau distillée
- un voltmètre
- deux câbles avec des pinces crocodiles

 

Préparez une solution concentrée de sulfate de cuivre dans de l’eau distillée et une autre solution de concentration identique en sulfate de zinc. Pour ces deux solutions, utilisez environ 10 à 30 grammes de produits chimiques secs dans 100 mL d’eau distillée. Attention ce n’est pas parce que vous mettez 10 grammes de sulfate de cuivre dans 100mL d’eau distillée pour réaliser la première solution que vous mettrez la même masse de sulfate de zinc dans les 100 mL d’eau pour réaliser la seconde solution… n’oubliez pas d’utiliser les masses molaires…
Réalisez le dispositif montré dans les figures 4 et 5. Ajoutez la solution de sulfate de cuivre dans le récipient qui contient la lame de cuivre, et la solution de sulfate de zinc dans le récipient qui contient la lame de zinc. Quand vous mesurez la différence de potentiel entre les électrodes, vous devez trouver une valeur aux alentours de 1,1 volts. Comparativement à la batterie au citron, la cellule de Daniell produit une puissance plus importante qui dure beaucoup plus longtemps. Cependant, vous aurez besoin d’électrodes avec une plus grande surface et des électrolytes beaucoup plus concentrés pour pouvoir allumer une lampe avec ce dispositif. Essayez avec un LED.

 

Comment fonctionne la cellule de Daniell?
Comme nous l’avons dit, les réactions au niveau des électrodes fournissent des charges qui permettent à la batterie de produire un courant électrique pendant de longues périodes. Dans les cellules de Daniell, la lame de cuivre attire les électrons libérés par la lame de zinc. Ces électrons passent par les fils du circuit externe. Comme le cuivre reçoit des électrons, des ions libres positifs de l’électrolyte viennent se fixer sur l’électrode pour équilibrer les charges. Les cations présents dans l’électrolyte (Cu2+) sont attirés par l’électrode de cuivre chargée négativement, où ils reçoivent deux électrons et deviennent neutres en se déposant sur l’électrode sous forme de métal. Les cations zinc (Zn2+) se déplacent dans le vase poreux. Pour chaque atome de cuivre qui se dépose sur l’électrode, un atome de zinc est passé en solution, libérant deux électrons dans le circuit et cède deux charges à son électrode.

Les réactions aux électrodes peuvent être modélisées par les équations suivantes:

Zn --> Zn++ + 2e-
Cu++ + 2e- --> Cu

Le résultat de ces réactions montre la dissolution des atomes de zinc sous forme ionique, ce qui correspond à la déposition des ions cuivres sur l’électrode sous forme métallique :

Zn + Cu++ --> Zn++ + Cu

Les électrons libérés par les atomes de zinc passent dans le filament de la lampe, produisent de la lumière par effet Joule et atteignent finalement l’électrode de cuivre. Ces électrons concrétisent le courant produit par la batterie et utilisé par la lampe. Si nous n’avions pas le vase poreux, les ions cuivre Cu2+ iraient directement réagir sur l’électrode de zinc, consommant ainsi les électrons mis à disposition par le circuit, et arrêtant de ce fait la circulation du courant dans le circuit extérieur. La batterie ne fonctionnerait plus. Parce que l’électrode de cuivre attire les électrons du circuit électrique, elle est considérée comme l’électrode positive (cathode).

 

Dans une pile, il y a toujours une circulation d’électrons dans le circuit électrique externe. Une circulation se fait également dans les solutions mais ce sont les ions qui se déplacent et non plus les électrons. Comme toutes les batteries, la Pile Daniell ne dure pas indéfiniment, mais tant qu’il y a des ions cuivre disponibles, ou que l’électrode de zinc n’est pas consommée.

En réalité, la production de courant diminue au fur et à mesure que la concentration en ion zinc augmente dans l’électrolyte – et donc que la concentration en ions cuivre diminue. En effet, les ions positifs libérés par les atomes de zinc ont besoin des ions sulfates, SO4- pour équilibrer les charges. La situation inverse a lieu dans la solution de cuivre, qui devient déficitaire en ions positifs.

De plus la force électromotrice d’une batterie ne dépend pas seulement de la nature de ses composants, mais aussi de la concentration de ses électrolytes; le gradient (autrement dit la différence) de concentration engendré par la production de courant dans le circuit implique que le voltage fourni par la batterie diminue de plus en plus pour finalement être nul. A la fin, les ions Zn2+ atteignent l’électrode de cuivre, l’entourent et empêchent le mouvement des ions Cu2+ en polarisant l’électrode de cuivre.

 

Vous pouvez aussi construire une pile Daniell sans vase poreux mais en utilisant ce que l’on qualifie de pont salin (figures 6 et 7). Ce dispositif est fabriqué en utilisant un tube en "U" rempli d’une solution saline. Vous pouvez en fabriquer un avec un tube en plastique comme expliqué dans la liste de matériel ci dessus. Remplissez le tube avec une solution de nitrate de potassium (KNO3) ou de sel (NaCl) en eau distillée (environ 10 grammes de solide pour 100 mL d’eau). Bouchez les extrémités de ce tube avec du coton de manière à ce que la solution saline reste dans le pont salin, et ne se mélange pas avec les électrolytes – lors de la préparation, avant de verser votre solution saline dans le tube, vous pouvez ajouter un peu d’Agar Agar qui se solidifiera une fois dans le tube. Le pont a le même rôle que le vase poreux, faisant une barrière entre les deux électrolytes tout en permettant une migration d’ions.


Si vous voulez des tensions plus importantes, vous pouvez relier plusieurs Piles Daniell en série comme le montre la figure 8. Vous aurez sûrement remarqué qu’entre chaque pile la jonction se fait avec un fil en métal, plutôt qu’avec un pont salin.

 

LA PILE À DIFFÉRENCE DE CONCENTRATION

Matériel :

- deux lames de cuivre
- un bécher large, un bocal ou tout autre récipient adapté
- un vase poreux
- un tube en plastique (comme celui utilise dans l’expérience précédente)
- coton
- 50 g de sulfate de cuivre (CuSO4)
- 1/2 litre d’eau distillée
- un voltmètre
- deux câbles avec des pinces crocodile

 

Le principe de cette expérience (figure 9) est très proche de celui de la pile Daniell (figures 4 et 5). Cette batterie utilise le fait que deux solutions de concentrations différentes qui sont « reliées », ont tendance à vouloir équilibrer leur concentration. À la différence de la Pile Daniell, nous n’utilisons qu’un matériau pour les électrodes, ici du cuivre. Comme électrolyte on utilise du sulfate de cuivre de deux concentrations différentes, pour la première on a mis 30 g de solide dans 100 mL d’eau alors que pour la seconde on a placé 2 g de solide dans 100 mL d’eau. En plaçant le voltmètre sur les deux électrodes, vous obtenez la force électromotrice de cette pile.

 

Que se passe-t-il dans cette batterie?
Les électrodes font toutes les deux une réaction de réduction, mais dans des proportions différentes. Du fait de cette différence, il y a apparition d’une différence de potentiel (tension) entre les deux électrodes. À l’anode, les atomes de cuivre se dissolvent dans la solution en libérant les ions cuivre, pendant qu’à la cathode, les ions cuivre se déposent sur l’électrode et captent des électrons.

Cu ==> Cu2+ + 2e-
Cu2+ + 2e- ==> Cu

Vous pouvez construire une version plus petite et plus simple de cette batterie en utilisant un tube en U. Au centre de la courbure du U placez une bonne quantité de coton pour créer une barrière entre les deux solutions de concentrations différentes  (figure 10). Ajoutez les solutions et les électrodes. Dans ce modèle, la batterie ne fonctionnera pas très longtemps, juste le temps que les concentrations des deux solutions de part et d’autre du coton s’équilibrent.

 

LA PILE DE VOLTA

Matériel:

- 6 lames ou disques de cuivre
- 6 disques ou lames de zinc
- papier filtre
- l’un des électrolytes suivants:
   - jus de citron
   - vinaigre
   - solution de chlorure de sodium (eau salée)
   - une solution de sulfate de cuivre
- un voltmètre
- un thermomètre ou un horloge avec un dispositif LCD
- deux fils avec des pinces crocodiles

Dans sa fameuse expérience du 1800, Alessandro Volta utilisa une solution d’acide sulfurique comme électrolyte. Dans des concentrations importantes, cet acide est très dangereux. S’il arrive sur la peau ou dans les yeux, il peut provoquer des brûlures très sérieuses et peu rendre définitivement aveugle. On peut tout de même construire une version fonctionnelle avec des électrolytes moins dangereux comme une solution de sulfate de cuivre, par exemple. Malgré cette petite modification, la production d'électricité par la pile Volta sera également démontrée. Si vous décidez d’utiliser de l’acide sulfurique dans votre expérience, utilisez une solution de basse concentration de cet acide et un adulte doit être présent pour éviter tout danger.

Disposez chaque disque de zinc sur un disque de cuivre. Vous devez donc avoir 6 jeux de disques zinc + cuivre. Comme le montre la figure 11, réalisez un empilement ou une « pile » de ces paires de disques, avec un disque de papier filtre imbibé de solution électrolytique séparant chaque doublet zinc – cuivre du suivant. Faites attention que la solution ne coule pas le long de la pile, ce qui provoquerait un court circuit entre les groupes zinc – cuivre. Remarquez que la séquence des éléments est la suivante : cuivre, zinc, électrolyte, cuivre, zinc, électrolyte, etc… Quand l’empilement est bien réalisé, mesurez la différence de potentiel entre le bas de l’élément de cuivre et le haut de l’élément de zinc. Vous devriez avoir 6,6 volts, soit 1,1 volt par paire d’éléments. La différence de potentiel engendrée dépend aussi de l’électrolyte utilisé et de sa concentration. En tout cas, il vous devrait être facile de bouger l'aiguille d'un voltmètre.

Avec cette invention, Alessandro Volta donna une forte impulsion aux recherches dans le domaine de l’électricité. Environ un siècle plus tard, ces découvertes portèrent des lampes électriques, des téléphones et des récepteurs radio dans des millions de maisons. Aujourd’hui l’électricité tient une part importante dans chaque moment de notre vie.


MESURE DES POTENTIELS DE REDUCTION

Une autre méthode pour expliquer le fonctionnement d’une batterie repose sur la réaction d’oxydoréduction qui a lieu aux électrodes. La réaction d’oxydoréduction implique le transfert d’électrons d’un élément chimique à un autre. La capacité d’un élément à acquérir ou à libérer des électrons est mesurée en tant que potentiel électrique par comparaison à une électrode particulière: l’électrode à hydrogène, qui est considérée par convention comme étant au potentiel électrique nul à 25°C. Sur cette électrode, la réaction suivante a lieu : 2H+ + 2e- <==> H2.

Pour faire ces mesures, on utilise une pile avec une électrode à hydrogène, et une autre est composée du matériau que l’on veut tester. La différence de potentiel obtenue représente donc le potentiel d’oxydoréduction du composé que l’on étudie, avec un signe positif ou négatif, par rapport à l’électrode à hydrogène. Les éléments chimiques qui ont un potentiel rédox positif ont tendance à être réduits, autrement dit à acquérir des électrons, alors que les éléments qui ont un potentiel négatif ont tendance à être oxydés, c'est-à-dire à libérer des électrons.

A ce moment, le potentiel produit par la batterie peut être calculé en faisant la différence entre les potentiels de réductions des deux demi piles : E= E1 - E2 comme montré ci-dessous.

 

  reaction potentiel de réduction (V)
E1 Cu++ + 2e- = Cu + 0,342
E2 Zn++ + 2e- = Zn - 0,762

Dans ce cas, la tension engendrée par la batterie sera de :

E = +0,342 - (-0,762)
E = +1,104 V.

Vous pouvez faire une batterie avec beaucoup de matériaux différents. Il est possible de calculer par avance la tension attendue avec ces différents matériaux en utilisant le potentiel standard de réduction de ces matériaux. Cette information peut être trouvée dans des livre de chimie.

Commençons l’expérience:

Matériel:

- une lame de cuivre
- différents matériaux à essayer comme électrode
- deux béchers ou récipients adaptés
- tube en plastique
- coton
- 50 g. de sulfate de cuivre (CuSO4)
- 50 g. de sulfate du même élément que celui de l’électrode que vous voulez tester
- 5 g. de nitrate de potassium (KNO3)
- 5g. de chlorure de sodium (NaCl) comme une alternative au nitrate de potassium
- 1/2 litre d’eau distillée
- un voltmètre (un modèle digital est préférable parce que la forte valeur de la  impédance influencera peu la mesure de tension)
- un fil avec des pinces crocodiles
- papier abrasif

 

Construisez un montage comme celui montré figure 12, qui ressemble un peu à celui de la Pile Daniell avec le pont salin. Remplissez le récipient contenant le morceau de cuivre avec une solution de sulfate de cuivre de concentration 1 mol/L. remplissez le deuxième récipient avec la solution appropriée également avec une concentration de 1 mol/L. Connectez la borne négative du voltmètre à l’électrode de cuivre et la borne positive au matériau à tester, puis lisez la tension.

Pour avoir des mesures valides, il est nécessaire d’avoir nettoyé les électrodes. Utilisez le papier de verre pour enlever les polluants qui ont pu se fixer sur les électrodes – oxydes, revêtement quelconque, etc.…, Les électrodes doivent être brillantes. Certains métaux s’oxydent rapidement, comme l’aluminium, le titane, et le magnésium. Dans le cas où vous utilisez un métal qui s’oxyde rapidement, nettoyer l’électrode avec un bout de papier de verre ou un scotch brit juste avant de la placer dans l’électrolyte. Au début de l’expérience, patientez quelques instant avant de relever vos mesures, le temps que la réaction enlève le restant d’oxyde encore présent sur l’électrode. Vous verrez la tension augmenter peu à peu jusqu’à une valeur maximale. Relevez cette valeur. Elle représente le potentiel de réduction du matériau que vous testez par rapport à celui du cuivre. Si la tension commence à chuter rapidement, utilisez la plus grande valeur lue pour faire votre calcul.

Les potentiels que vous lirez sont valables par rapport au cuivre. Si vous voulez obtenir le potentiel standard du matériau testé, autrement dit le potentiel de ce matériau par rapport à l’électrode à hydrogène, vous devez prendre en compte le potentiel standard du couple (Cu/Cu2+). Par exemple, si vous mesurez une différence de potentiel pour un une pile zinc – cuivre par cette méthode, vous obtenez une valeur de – 1,1 volts. Si vous ajoutez 0,34 V (valeur du potentiel standard du cuivre), à cette différence de potentiel, vous obtenez – 0,76 V qui est exactement la valeur qu l’on obtient en fabriquant une pile zinc – électrode à l'hydrogène, autrement dit c’est le potentiel standard du couple (Zn/Zn2+) par rapport à l'hydrogène.

Comparez les valeurs que vous obtenez avec votre appareil avec celles des tables des potentiels standard que l’on trouve dans les livres de chimie. Vous trouvez probablement que les valeurs obtenues avec votre dispositif sont proches, mais pas exactement égales à celles des tables; cependant elles restent suffisamment correctes pour faire des observations intéressantes pour de nombreux matériaux.

Essayez des matériaux différents – différents métaux, différents alliages, et même des plastiques conducteurs, des gommes, des céramiques… Certains chercheurs travaillent sur des batteries qui auraient des électrodes en plastique conductrice. Une batterie en plastique aurait pour avantage d’être beaucoup plus légère. Elles permettraient alors d’alléger les véhicules électriques… et donc d’améliorer leurs performances en vitesse aussi.


UN DÉPÔT GALVANIQUE

Matériel:

- deux lames de cuivre
- une lame de zinc
- une lame de fer
- lame d’acier inoxydable
- un récipient
- 50 g de sulfate de cuivre (CuSO4)
- 1/2 d’eau distillée
- une pile plate
- un ampèremètre
- deux câbles avec des pinces crocodiles
- une balance analytique
- papier de verre

 

Les réactions d’oxydoréduction se font par échange d’électrons entre un composé chimique et un autre, et l'on atteint le niveau énergétique le plus bas. Dans une cellule électrolytique, le processus chimique qui entre en jeu peut être renversé en apportant de l’énergie électrique à la cellule au lieu de lui demander d’en fournir. C’est ce principe que nous allons utiliser pour déposer du cuivre métal sur une électrode.

EXPERIENCE 1: CuSO4 comme électrolyte et électrodes de cuivre.
Construisez une cellule électrolytique comme celle montrée dans la figure 13. A ce but, utilisez une solution de sulfate de cuivre comme électrolyte (30g. de sulfate de cuivre pour 100 mL d’eau) et placez les lames de cuivre comme électrodes dans cet électrolyte.
Dans cette cellule, les ions sulfates restent en solution, pendant que les ions cuivre se déposent sur la cathode et que l’anode se dissocie en ions cuivre. Comme l’électrolyte est toujours réapprovisionné en ions cuivre par la dissociation de l’anode, cette dernière peut être complètement dissoute et redéposée atome par atome sur la cathode. N’importe quelle impureté présente dans l’anode va tomber dans le fond du récipient parce qu’elle ne sera pas « attirée » par l’anode. Le cuivre déposé sur la cathode est donc très pur. En effet, cette méthode est utilisée en milieu industriel pour purifier les métaux, les résultats étant alors qualifiés de métal « électrolytiquement pure ».

Vous pouvez vérifier aisément et minuter le processus de ce transfert de métal de l’anode à la cathode en pesant les électrodes avant de démarrer et à des instants différents au cours de l’expérience. En changeant la tension qui traverse la pile, vous pouvez contrôler le flot électrique. Vous pouvez alors regarder l’évolution de la vitesse de déposition du cuivre sur la cathode en fonction de l’intensité du courant sur des intervalles de temps fixés.

EXPERIENCE 2: CuSO4 comme électrolyte, une lame de cuivre et une lame de zinc ou de fer comme électrode.

Peut-être vous êtes demandé pourquoi nous n’avions pas utilisé une cathode en zinc qui aurait rendu la déposition du cuivre plus visible. D’après sa couleur, le cuivre aurait été facilement visible sur du zinc qui a une couleur grise un peu terne. De cette manière, nous n’aurons pas besoin d’utiliser la balance pour confirmer la déposition du cuivre. Le problème est que le cuivre va commencer à se déposer sur la lame de zinc avant que le courant ne soit mis dans le circuit. Les ions cuivre qui proviennent du sulfate de cuivre, vont se déposer spontanément sur la lame de zinc. Si vous vous souvenez des expériences précédentes, les atomes de cuivre ont une plus grande affinité avec les électrons que les atomes de zinc. Alors que la lame de zinc est immergée dans la solution de sulfate de cuivre, quelques atomes de zinc sont dissous en ion zinc (Zn2+) et le même nombre d’ion cuivre Cu2+ se dépose sur le zinc où ils trouvent les électrons libérés par les atomes de zinc et deviennent électriquement neutre. La lame de zinc est couverte d’une couche visible de cuivre. Normalement, le zinc présente un dépôt noir, qui a une texture granuleuse et a une structure cristalline dendritique. Si vous utilisez une lame de fer à la place de la lame de zinc, vous obtenez un dépôt métallique de cuivre compact (figure14). Faites vous-même l’expérience dans ce cas là.

 

EXPERIENCE 3: CuSO4 comme électrolyte, une lame de cuivre à l’anode et une cathode en acier inoxydable.
L’acier inoxydable est très adapté pour démontrer la déposition de cuivre sur une électrode. Il a une couleur grise, qui permet de bien voir le dépôt de cuivre lié à la solution de sulfate de cuivre. Toutefois, le dépôt de cuivre sur la cathode ne se fait pas spontanément (comme c’était le cas pour le zinc), et il faut faire passer un courant dans le dispositif pour que le dépôt ait lieu. Cela est dû au fait que l’acier a un potentiel redox plus grand que celui du cuivre. Comme le montre la figure 13, utilisez votre lame d’acier inoxydable comme cathode et appliquez le courant électrique dans le circuit. Vous verrez que la portion de la lame qui est immergée dans l’électrolyte se couvre d’une fine couche de cuivre, que l’on voit par le changement de couleur.

Au cours de ces expériences, vous pouvez vérifier la loi de Faraday, qui établit que la quantité d’électrons fournie est égale à la charge ionique transférée. Le poids des matériaux transformés est directement proportionnel à la quantité de courant qui a été délivrée et à la masse molaire des ions, et inversement proportionnel au nombre de charges que possède le matériau à l’état ionique. Par exemple : une certaine quantité de courant déposera un certain nombre d’ions dont la charge vaut 1 en valeur absolue, et deux fois moins d’ions de charge 2 (en valeur absolue également).

Le dépôt électrolytique est largement utilisé en industrie comme traitement de surface des métaux. Souvent, ces traitements ont le but de protéger la structure de l’oxydation, ou ils peuvent servir comme décoration. Les joailliers déposent de fines couches d’or sur un métal de base pour réaliser un produit qui sera nettement moins cher, tout en ayant l’aspect d’un bijou en or. En électronique, l’or est largement utilisé pour recouvrir les contacts électriques et est apprécié pour sa résistance à l’oxydation et sa stabilité à long terme. Les techniques de galvanisation peuvent être utilisées pour des oxydation de surface des métaux pour leur décoration ou protection. L’aluminium est souvent “anodisé” ce qui veut dire qu’il est utilisé en tant qu’anode dans un processus qui oxyde sa surface, la protégeant de la corrosion et qui permet également de le colorer dans différents tons, parmi lesquels aussi le noir.

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CONCLUSION

Au cours de ces expériences, vous vous êtes familiarisés avec différents concepts comme la conductivité des solutions par le biais des ions dissous. Vous avez vu des réactions d’oxydo réduction au travail et qu’elles peuvent être inversées en faisant passer un courant dans le circuit. Vous avez appris à mesurer les potentiels redox de différents matériaux et à prédire la tension générée par la batterie quand vous connaissez les matériaux qui la composent. Vous pouvez construire une batterie efficace avec n'importe quel  fruit ou légume, y compris des citrons, tomates, patates. Jusqu’à maintenant, les batteries pouvaient vous sembler mystérieuses, mais maintenant vous faites partie des rares personnes qui connaissant comment et pourquoi elles fonctionnent. Vous pouvez surprendre vos amis en construisant une batterie avec quasiment n’importe quoi, mais plus important que cela, maintenant l’étude de ce domaine deviendra beaucoup plus facile et prendra un tout autre sens.

Orologio al pomodoro

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Nous remercions M.e Patrizia Buttol pour la révision du texte e pour ses précieuses suggestions.


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