Transcription de la vidéo
Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire les cellules primaires et à expliquer comment elles produisent de l’énergie électrique. Dans la première section de cette vidéo, nous verrons comment l’énergie électrique provient des piles utilisées dans les appareils électriques portables que nous voyons dans la vie quotidienne.
Les appareils électriques portables tels que les torches ou les lampes de poche tirent leur énergie des réactions chimiques qui se produisent à l’intérieur des cellules électriques. Les cellules électriques sont souvent appelées des batteries, bien qu’une batterie soit strictement composée de plusieurs cellules connectées ensemble. Une cellule galvanique primaire est une cellule électrochimique à usage unique où les électrons sont générés par une réaction redox spontanée. Lorsque le circuit à l’intérieur de la lampe de poche est terminé en fermant le commutateur, les électrons circulent autour du circuit à la suite de réactions chimiques spontanées dans les cellules. Le flux d’électrons entraîne un courant électrique. Puisque les électrons portent une charge électrique, un courant électrique est une mesure du débit de la charge électrique.
Le type de réaction chimique qui se produit dans chaque cellule est appelé réaction redox. Dans une réaction redox, les électrons sont transférés d’une espèce chimique à une autre. Les réactions redox impliquent donc que les espèces sont soit oxydées, soit réduites. Si une espèce est oxydée, elle perd des électrons. Si une espèce est réduite, elle gagne des électrons. On se souvient facilement de l’oxydation et de la réduction en utilisant le mnémonique « OEP REG ».
Très souvent, les lampes de poche sont alimentées par des piles au zinc-carbone relativement bon marché. Ces piles ont un boîtier en zinc. Et dans les réactions qui entraînent ces cellules, le zinc perd des électrons. Le boîtier de zinc est donc le site d’oxydation. Dans une cellule galvanique, le site d’oxydation est l’électrode négative. Parfois, on parle aussi d’anode. Les électrons sont transférés de l’électrode négative à une électrode de carbone, qui est l’électrode positive de cette cellule. Dans une cellule galvanique, l’électrode positive est le site de réduction. Elle est également parfois connue sous le nom de cathode.
La cathode en carbone collecte les électrons et est entourée d’une pâte contenant du dioxyde de manganèse. Le dioxyde de manganèse accepte les électrons dans une réaction de réduction. Donc en gros, dans ces cellules, les électrons circulent de l’anode de zinc à la cathode de carbone. Bien sûr, les électrons traversent également l’ampoule, ce qui fait qu’elle s’allume. Les réactions chimiques dans la cellule se poursuivent jusqu’à ce que tous les réactifs soient consommés. Le boîtier en zinc deviendra plus mince lorsque le zinc se transformera en ions zinc dans l’électrolyte de la cellule. La composition chimique de la pâte de dioxyde de manganèse changera également dans la réaction de réduction. Au fil du temps, l’ampoule deviendra plus sombre et la cellule sera finalement dépensée, ou déchargée. Elle ne peut être utilisée qu’une seule fois. Elle est ensuite jetée ou recyclée pour récupérer tout contenu de valeur.
Les cellules galvaniques primaires fonctionnent de cette manière. Les réactions chimiques qui se produisent spontanément à l’intérieur ne sont pas réversibles. Ainsi, lorsque la lampe de poche cesse de fonctionner, les piles à l’intérieur ne peuvent pas être rechargées.
Dans la section suivante de cette vidéo, nous allons examiner en détail un type spécifique de cellule galvanique primaire appelée pile au mercure pour comprendre comment les électrons y circulent.
La pile au mercure est constituée d’une boîte en acier qui sert de récipient, mais elle est également en contact avec de l’oxyde de mercure deux de formule HgO. Cette partie de la cellule forme l’électrode positive, ou la cathode, qui est là où une réaction de réduction aura lieu. Le capuchon de cette cellule est en contact avec le zinc métallique, qui forme l’électrode négative de la cellule. L’électrode négative, ou l’anode, dans cette cellule est là où une réaction d’oxydation aura lieu. Utilisez le symbole mnémonique CROA pour vous rappeler où se produisent la réduction et l’oxydation. La cathode est le site de réduction, et l’oxydation a lieu à l’anode.
Un séparateur poreux maintient les produits chimiques à part dans l’anode et la cathode. Le séparateur poreux contient des électrolytes qui permettent le mouvement des ions, et donc la charge, pour compléter le circuit lorsque la pile ou la cellule est en fonctionnement. Pour éviter un court-circuit dans la cellule, un joint isolant sépare l’anode et la cathode. Il contient également des produits chimiques pour les empêcher de fuir.
Voyons maintenant les réactions chimiques qui se produisent dans cette cellule et la tension qu’elle génère. Au niveau de l’anode, ou de l’électrode négative de cette cellule, les électrons sont perdus. Une réaction d’oxydation se produit. Le zinc métallique est oxydé en oxyde de zinc. Au niveau de l’électrode positive, ou la cathode dans cette cellule, de l’oxyde de mercure deux se trouve impliqué dans une réaction de réduction. L’oxyde de mercure deux est réduit en mercure, qui est un métal liquide dans cette cellule. En additionnant les deux demi-équations ensemble, nous obtenons la réaction globale qui se produit dans cette cellule. Le zinc métallique réagit avec l’oxyde de mercure deux pour produire de l’oxyde de zinc et du mercure.
Lorsque nous avons additionné les deux demi-équations ensemble, les deux moles d’ions hydroxyde de chaque côté de chaque demi-équation s’annulent. Cela s’est également produit pour la mole de molécules d’eau liquide de chaque côté. Les électrons se sont également annulés, car il y avait deux moles d’électrons impliqués dans le processus d’oxydation et deux moles d’électrons impliqués dans le processus de réduction.
Pour calculer le 𝐸 standard de la cellule, c’est-à-dire la fem de la cellule ou la tension produite par cette cellule, nous devons connaître le potentiel standard de réduction de la cathode et le potentiel standard de réduction de l’anode. Nous soustrayons simplement le potentiel de réduction standard de l’anode du potentiel de réduction standard de la cathode. Les potentiels de réduction standard sont mesurés par rapport à l’électrode standard à hydrogène dans des conditions standard. Par référence, on donne à l’électrode standard à hydrogène une tension de zéro volt.
Le potentiel de réduction standard de l’anode dans cette cellule est négatif de 1,25 volt. Dans cette cellule, le potentiel de réduction standard de la cathode, là où l’oxyde de mercure deux se transforme en mercure, est positif de 0,0977 volt. La tension produite par cette cellule dans les conditions standard est donc la valeur positive 0,0977 volt moins la valeur négative 1,25 volt. Cette tension a été arrondie à deux chiffres après la virgule.
Étant donné que les piles au mercure contiennent des composés de mercure toxiques, elles ne sont plus produites en grande quantité. Parce que la cellule pouvait être fabriquée en étant très mince, ces piles ou cellules étaient connues sous le nom de piles boutons, et elles étaient largement utilisées dans les montres, les prothèses auditives et les calculatrices. Puisque les réactions chimiques dans cette cellule ne sont pas réversibles, la cellule ne peut pas être rechargée. Ce type de pile devrait être éliminé avec soin ou recyclé en raison de sa teneur toxique en mercure.
Dans la prochaine partie de cette vidéo, nous allons voir les piles à hydrogène.
Les piles à combustible sont un type de cellule galvanique où les réactifs chimiques sont stockés séparément à l’extérieur de la pile. Les réactifs sont introduits dans la pile à combustible où la réaction chimique a lieu. Les réactions redox à l’intérieur de la pile à combustible peuvent fournir un courant électrique à la demande. Cela peut se produire lorsqu’un appareil tel qu’un moteur électrique est connecté à la pile à combustible et produit un travail. La pile à combustible produira une tension constante à condition que les réactifs soient introduits dans la pile à combustible à un rythme constant.
Le type de pile à combustible le plus courant est la pile à hydrogène. L’hydrogène gazeux est introduit dans la cellule à partir d’une réserve extérieure, où il réagit avec de l’oxygène gazeux, qui est aspiré de l’air extérieur. À l’intérieur de la pile à combustible. L’anode et la cathode sont séparées par une membrane remplie d’électrolyte. Dans la pile à combustible à hydrogène acide, la membrane est remplie d’un électrolyte acide. À l’anode, l’hydrogène gazeux est oxydé et les électrons sont libérés. Ceux-ci peuvent être amenés à circuler autour d’un circuit externe à travers un moteur électrique par exemple.
Les ions hydrogène ou protons restants migrent à travers la membrane d’électrolyte vers la cathode. Dans la pile à combustible à hydrogène acide, la membrane est souvent appelée membrane échangeuse de protons. À la cathode de la pile à combustible, l’oxygène gazeux est réduit. Les molécules d’oxygène gagnent des électrons qui reviennent du circuit externe. Ils réagissent avec les ions hydrogène et forment de l’eau. Tout en produisant de l’électricité, la pile à hydrogène fait de l’eau le seul déchet. Ce type de pile à combustible a été utilisé pour produire de l’électricité dans les voyages dans l’espace, et il produit également de l’électricité pour certaines voitures électriques.
Voyons plus en détail les réactions qui se produisent à chaque électrode. À l’anode, l’hydrogène gazeux est oxydé. Les ions hydrogène et les électrons sont libérés. Le potentiel standard de réduction pour ce processus est de zéro volt. À la cathode, nous avons vu que l’oxygène gazeux gagne des électrons et réagit avec les ions hydrogène pour produire de l’eau. Le potentiel de réduction standard pour cette réaction est positif de 1,23 volt. Nous pouvons équilibrer le transfert d’électrons dans chaque demi-équation en multipliant l’équation supérieure par deux. L’équation globale de la réaction qui se produit à l’intérieur de la pile à combustible est alors obtenue en additionnant les deux demi-équations.
L’équation se simplifie à deux moles d’hydrogène gazeux réagit avec une mole d’oxygène gazeux pour faire deux moles d’eau. Le potentiel standard de la cellule pour cette pile à combustible peut être calculé en utilisant l’équation : le potentiel standard de la cellule est égal au potentiel de réduction de la cathode moins le potentiel de réduction de l’anode. Pour ce type de pile à combustible, le potentiel standard de la cellule est positif de 1,23 volt. La tension de la cellule reste constante tant que les réactifs sont fournis à la cellule à un rythme constant.
Étant donné que l’eau est le seul déchet, la pile à hydrogène constitue une source d’électricité qui ne produit pas directement de dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone est émis par les moteurs à combustion des voitures. Une idée consiste à remplacer les moteurs à combustion dans les voitures par des piles à combustible pour alimenter les moteurs électriques. Nous devons cependant considérer que l’hydrogène gazeux pour la pile à combustible doit être fabriqué, car il n’est pas disponible dans notre atmosphère.
Une pile à hydrogène peut également fonctionner dans des conditions alcalines. Dans la pile à combustible alcaline, de l’oxygène gazeux est introduit à la cathode, où une réaction de réduction a lieu. Les molécules d’oxygène gagnent des électrons et réagissent avec les molécules d’eau pour produire des ions hydroxyde. Les ions hydroxyde se déplacent à travers une membrane d’électrolyte alcalin. L’hydrogène est alimenté à l’électrode négative, ou l’anode. À l’anode, l’hydrogène réagit avec les ions hydroxyde qui se sont déplacés à travers la membrane de l’électrolyte alcalin. Puisque les électrons sont produits à l’anode et que l’anode a un potentiel d’électrode plus négatif que la cathode, les électrons peuvent être amenés à circuler autour d’un circuit externe où ils peuvent produire un travail.
Les électrodes sont souvent faites de matériaux céramiques recouverts d’une fine couche de platine, ce qui aide à catalyser les réactions. Il peut être surprenant de voir que le potentiel de la pile à combustible alcaline est le même que le potentiel de la pile à combustible acide dans des conditions standard. Cependant, lorsque nous additionnons les deux demi-équations, la réaction globale dans la pile à combustible alcaline est la même que la réaction globale dans la pile à combustible acide, donc la tension produite est la même.
Il est maintenant temps de regarder une question pour tester votre compréhension des cellules galvaniques.
Laquelle des réactions suivantes est la demi-équation de la réaction qui se produit à la cathode dans une cellule au mercure.
Pour répondre à cette question, il faut se rappeler que la cathode est le site de réduction de la cellule galvanique. Dans une cellule galvanique, l’oxydation se produit à l’anode. Dans une réaction de réduction, les électrons sont gagnés. Nous cherchons donc une demi-équation où les espèces de gauche, c’est-à-dire les réactifs, gagnent des électrons. Les électrons doivent apparaître sur le côté gauche de nos demi-équations.
Nous pouvons exclure la réponse (C) car les électrons sont perdus dans cette demi-équation. Cette demi-équation représente un processus d’oxydation. Nous pouvons également exclure la réponse (D), car il ne s’agit pas d’une demi-équation; c’est une équation redox complète. Dans (D), le zinc perd des électrons, son degré d’oxydation augmente et il est oxydé. Hg, ou le mercure, est réduit. Il gagne des électrons lorsque son degré d’oxydation diminue. Pour la même raison que nous avons exclu la réponse (C), nous pouvons également exclure la réponse (E). Bien que cela semble être une demi-équation, nous pouvons voir que les électrons apparaissent sur le côté droit. Ils sont perdus, et c’est une réaction d’oxydation. N’oubliez pas que nous recherchons un processus de réduction.
En examinant de plus près la réponse (B), nous pouvons voir qu’il ne semble y avoir aucun processus redox. L’état d’oxydation du mercure reste à plus deux tout au long de l’équation. Puisque nous cherchons une réaction de réduction, ce ne peut pas être la bonne réponse. Les cellules au mercure contiennent de l’oxyde de mercure deux, ou HgO, à la cathode. Dans la réponse (A), nous voyons l’oxyde de mercure deux gagner des électrons. L’oxyde de mercure deux est l’espèce correcte pour la cathode dans notre cellule, et ici elle est impliquée dans une réaction de réduction. C’est la bonne réponse.
Il est maintenant temps de passer en revue les points clés de cette vidéo. Une cellule galvanique primaire est une cellule électrochimique à usage unique dans laquelle des électrons sont générés par une réaction redox spontanée. La réduction se produit à la cathode. L’oxydation a lieu à l’anode. Le potentiel standard de la cellule peut être calculé en prenant le potentiel standard de réduction de la cathode et en soustrayant le potentiel standard de réduction de l’anode. Les piles à combustible sont un type de cellule galvanique où les composants réagissant sont fournis en permanence.
