Transcription de la vidéo
Dans cette vidéo, nous allons découvrir les cellules galvaniques, ou piles, des dispositifs simples utilisés pour générer de l’énergie électrique. Nous allons apprendre comment les cellules galvaniques fonctionnent, comment on peut les fabriquer à partir d’une variété de matériaux, et comment on peut les comparer à l’aide des potentiels standards d’électrodes.
Imaginons un bécher contenant une bande de zinc métallique qui trempe dans une solution contenant des ions de zinc, par exemple une solution de nitrate de zinc. Les métaux ont tendance à perdre des électrons et à former des ions. Cette tendance dépend de la réactivité du métal. Les métaux plus réactifs ont tendance à perdre plus d’électrons et à former plus d’ions. En même temps que le zinc métallique perd des électrons et forme des ions, les ions de zinc en solution acceptent des électrons pour former du zinc métallique. Cela forme un équilibre entre le zinc métallique, qui perd des électrons pour former des ions, et les ions de zinc, qui acceptent des électrons pour former du zinc métallique.
Mais cet effet n’est pas propre au zinc. La même chose se produit avec n’importe quel métal, comme le cuivre par exemple. Le cuivre métallique peut perdre des électrons et former des ions, et les ions de cuivre peuvent accepter les électrons pour former du cuivre métallique, ce qui établit un équilibre. Le zinc est plus réactif que le cuivre, ce qui signifie que le zinc aura tendance à former plus d’électrons et d’ions que le cuivre.
Le récipient contenant le zinc et celui contenant le cuivre sont tous deux des exemples de demi-cellules. Une demi-cellule est un système contenant une électrode conductrice dans une solution électrolytique. Une électrode est une sorte de matériau conducteur utilisé pour transférer des charges. Dans nos demi-cellules, le zinc métallique et le cuivre métallique servent d’électrodes. Les solutions électrolytiques contiennent des ions. Dans ces demi-cellules, les solutions de nitrate de zinc et de nitrate de cuivre sont les solutions électrolytiques, puisque le nitrate de zinc et le nitrate de cuivre se dissocient en ions.
Dans ces deux cellules, des électrons sont libérés par le métal. Quand des électrons libres sont ainsi générés, on peut les utiliser pour alimenter quelque chose comme un téléphone ou une télécommande. Mais ce n’est pas encore possible dans cette configuration, parce que les électrons n’ont nulle part où aller. Mais on peut ajouter quelques éléments à cette installation. La première chose à ajouter est un fil électrique. Le fil électrique permettra aux électrons de circuler d’une demi-cellule à l’autre. L’autre chose à ajouter est un pont salin. Le pont salin ferme le circuit électrique en permettant aux ions de passer d’un côté de la cellule à l’autre, ce qui permet d’équilibrer la charge.
Il existe différentes façons de construire un pont salin, en fonction du montage de la cellule, mais la plus courante est un tube en verre en forme de U rempli d’une solution ionique comme le nitrate de potassium. Le nitrate de potassium est ici un bon choix car il est peu probable que les ions potassium et les ions nitrate forment un précipité avec la solution électrolytique dans les demi-cellules. Avec ces ajouts à nos demi-cellules, nous avons maintenant une cellule galvanique, un appareil simple capable de générer de l’électricité. Les cellules galvaniques sont parfois appelées cellules voltaïques en honneur à leur inventeur, Alessandro Volta. Regardons de plus près le fonctionnement des cellules galvaniques.
Nous avons mentionné plus tôt que le zinc est plus réactif que le cuivre. Pour cette raison, le zinc métallique aura tendance à perdre plus d’électrons et à former plus d’ions que le cuivre métallique. Comme l’oxydation est une perte d’électrons, on peut aussi dire que le zinc a un plus grand potentiel d’oxydation que le cuivre. Cette différence de potentiel entre les demi-cellules de zinc et de cuivre est ce qu’on appelle la tension. Historiquement, elle est aussi appelée force électromotrice. On peut considérer la tension comme la force qui pousse les électrons d’une cellule à l’autre. C’est la force motrice de la réaction chimique spontanée qui se produit dans la cellule galvanique. On peut mesurer la tension de toute cellule à l’aide d’un voltmètre. Cela nous donne une valeur en volts.
Nous regardons la lecture de la tension plus en détails dans un instant. Mais pour l’instant, examinons de plus près les réactions et le flux de charge dans la cellule. Comme le zinc a un potentiel d’oxydation plus élevé que le cuivre, il va former des ions et perdre des électrons plus facilement. L’électrode de cuivre s’oxyde également dans une certaine mesure en raison de la réaction d’équilibre dont nous avons parlé plus tôt. Mais comme le zinc a un potentiel d’oxydation plus élevé, il y aura plus d’électrons à l’électrode de zinc. Ces électrons en excès provenant de l’électrode de zinc peuvent traverser le fil électrique et donc être utilisés pour alimenter quelque chose comme une ampoule.
Maintenant que les électrons se sont déplacés de l’électrode de zinc à l’électrode de cuivre, il y a des électrons supplémentaires au niveau de l’électrode de cuivre. Ces électrons supplémentaires vont attirer les ions cuivre, de charge positive, présents dans la solution électrolytique. Les ions cuivre seront alors réduits pour former du cuivre métallique. Ensuite, les ions du pont salin peuvent se déplacer vers l’une ou l’autre demi-cellule pour équilibrer la charge et fermer le circuit. Les ions nitrate chargés négativement du pont salin se déplacent vers la demi-cellule de zinc puisqu’il y a des ions de zinc supplémentaires, de charge positive, qui y sont formés. Et les ions potassium chargés positivement se déplacent vers la demi-cellule de cuivre puisque les ions cuivre, de charge positive, sont transformés ici en atomes neutres.
Les cellules galvaniques sont donc toutes alimentées par des réactions redox spontanées. Dans les cellules galvaniques, l’électrode ayant le potentiel d’oxydation le plus élevé est celle où l’oxydation se produit, et l’électrode ayant le potentiel d’oxydation le plus bas est celle où la réduction se produit. L’électrode où l’oxydation se produit est appelée l’anode et l’électrode où la réduction se produit est appelée la cathode. La réaction redox globale pour cette cellule galvanique est la suivante, un atome de zinc réagit avec un ion cuivre deux plus pour former un atome de cuivre et un ion zinc deux plus. La réaction redox spontanée dans cette pile se poursuit jusqu’à épuisement des réactifs, le zinc métallique et les ions cuivre deux plus.
Bon, il n’est pas pratique de dessiner toute une cellule galvanique à chaque fois qu’on veut en parler. Pour décrire facilement la configuration d’une cellule galvanique, on peut utiliser la représentation formelle de la pile. Pour représenter une cellule galvanique grâce à cette notation, on place les informations sur l’anode à gauche et les informations sur la cathode à droite. On commence par écrire le symbole chimique du métal de l’anode. Ensuite, on place un trait vertical pour indiquer le changement de phase entre l’électrode métallique et la solution aqueuse électrolytique. Ensuite, on écrit le symbole chimique et la charge des ions à l’anode. On met le symbole de l’état physique entre parenthèses. On inclut aussi parfois la concentration ou d’autres conditions de la demi-cellule si celles-ci ne sont pas standard.
Après les informations sur l’anode, on place un double trait vertical, qui représente le pont salin, pour séparer les informations sur la cathode. Maintenant, on fait la même chose pour les informations sur la cathode, mais cette fois, on commence par les ions cuivre deux plus de la solution électrolytique. On place un nouveau trait vertical pour la limite des phases et le symbole chimique de l’électrode de cuivre. Vous remarquerez qu’on n’inclut pas les ions spectateurs dans la représentation formelle.
Il existe de nombreux types de demi-cellules pouvant être utilisées pour créer des cellules galvaniques. Les demi-cellules de zinc et de cuivre que nous avons examinées précédemment sont des exemples de demi-cellules « métal-ion ». On peut aussi trouver des demi-cellules qui comprennent un gaz. Dans cette demi-cellule, l’hydrogène gazeux est oxydé pour former des ions hydrogène. Bien sûr, on a toujours besoin de quelque chose qui puisse conduire de l’électricité, donc il y a une électrode de platine dans cette cellule. Le platine est ici un bon choix car il est inerte, donc il ne réagira pas avec l’hydrogène gazeux ou les ions hydrogène présents dans la cellule. On utilise ces crochets dans la représentation formelle de la pile pour indiquer que l’hydrogène gazeux est mis à barboter sur l’électrode de platine.
Un dernier type de cellule qu’on peut rencontrer est une cellule « ion-ion ». Par exemple, dans cette cellule, le fer deux plus est oxydé pour former du fer trois plus. Ici aussi, on a besoin de quelque chose qui puisse servir d’électrode pour conduire l’électricité dans la cellule. On a donc l’électrode de platine. Elle est incluse dans la représentation formelle de la cellule. On peut aussi voir que le fer deux plus et le fer trois plus se trouvent du même côté de la limite de phase dans la représentation de la cellule parce qu’ils sont tous deux des ions. On peut utiliser n’importe quelle combinaison de demi-cellules pour créer une cellule galvanique. Mais comment savoir à l’avance quelle demi-cellule sera l’anode et laquelle sera la cathode ?
Comme nous le savons, différentes demi-cellules ont des potentiels d’oxydation différents. Celle qui a le potentiel d’oxydation le plus élevé est l’anode et celle qui a le potentiel d’oxydation le plus faible est la cathode. La différence de potentiel entre ces deux cellules est la tension. On peut mesurer la tension à l’aide d’un voltmètre, qui nous donne une valeur en volts. Mais la tension ne nous donne que la différence de potentiel entre ces deux cellules. La valeur donnée par le voltmètre ne nous dit pas le potentiel individuel de nos demi-cellules. Donc, si on veut connaître le potentiel de chaque demi-cellule, on doit choisir une demi-cellule standard de référence comparer toutes les autres demi-cellules avec la même demi-cellule. L’électrode qui a été choisie comme électrode standard est l’électrode à hydrogène. L’électrode standard à hydrogène est souvent abrégée « ESH ».
Pour mesurer le potentiel standard d’une cellule, on crée tout simplement une cellule galvanique avec l’électrode standard à hydrogène et la cellule qu’on souhaite mesurer, par exemple la demi-cellule de cuivre, composée de cuivre métallique et d’ions cuivre deux plus. On connecte alors ces deux demi-cellules à un voltmètre. Il faut alors veiller à ce que la mesure soit faite dans des conditions standard, étant donné que différentes conditions influencent la différence de potentiel de la cellule. Les conditions standard sont une concentration d’une mole par litre, une température de 298 kelvin et une pression d’un bar.
Il faut également s’assurer que le voltmètre ait une forte résistance interne. Avec un voltmètre à forte résistance interne, il y aura un faible flux d’électrons entre les deux demi-cellules. On veut limiter le flux d’électrons entre les deux demi-cellules, pour éviter que la réaction d’oxydoréduction ne se produise trop rapidement. C’est important car on veut mesurer la tension maximale de la cellule galvanique, et la tension diminue au fur et à mesure que les réactifs s’épuisent.
Avec tout cela en tête, on peut déterminer le potentiel standard d’électrode de la demi-cellule de cuivre en regardant la tension donnée par le voltmètre. La tension pour ce montage serait positive, de 0,34 volts. Cette tension positive indique que le potentiel d’oxydation de l’hydrogène est supérieur au potentiel d’oxydation du cuivre. Autrement dit, l’hydrogène gazeux est oxydé, ce qui correspond à la cathode, et les ions cuivre deux plus sont réduits, ce qui se passe du côté de la cathode.
On peut faire la même chose pour mesurer le potentiel standard d’électrode de la demi-cellule de zinc. Cela nous donne une tension de moins 0,76 volts. Cette tension négative indique que le potentiel d’oxydation de l’hydrogène est inférieur au potentiel d’oxydation du zinc. Autrement dit, dans cette cellule galvanique, les ions hydrogène seront réduits, donc dans ce cas, l’électrode standard à hydrogène est la cathode. Et de l’autre côté, le zinc est oxydé, faisant de cette demi-cellule l’anode.
Si on fait une liste de tous les potentiels standards d’électrode pouvant être mesurés, on obtient la série électrochimique. Voici une série électrochimique abrégée, avec les demi-cellules que nous avons examinées dans cette vidéo. Un potentiel standard d’électrode plus bas indique un plus grand potentiel d’oxydation. Autrement dit, si on combine deux demi-cellules telles que le cuivre et le zinc, on peut utiliser les potentiels d’électrode standard pour déterminer quelle demi-cellule sera l’anode et laquelle sera la cathode.
Le potentiel standard électrique du zinc est plus bas que le potentiel standard d’électrode du cuivre, ce qui signifie que le zinc a un plus grand potentiel d’oxydation que le cuivre. Donc, si on devait fabriquer une cellule galvanique en utilisant des demi-cellules de zinc et de cuivre, le zinc serait oxydé, ce qui en ferait l’anode, et le cuivre serait réduit, ce qui en ferait la cathode.
Maintenant, nous avons couvert tout ce que nous devons savoir sur les cellules galvaniques, alors résumons ce que nous avons appris. Une demi-cellule est un système composé d’une électrode conductrice dans une solution électrolytique. Une cellule galvanique, ou pile, est composée de deux demi-cellules reliées par un fil électrique et un pont salin. La différence de potentiel entre les deux demi-cellules entraîne une réaction redox spontanée dans la cellule galvanique. La différence de potentiel est aussi appelée tension. Elle peut être mesurée à l’aide d’un voltmètre. L’électrode standard à hydrogène est utilisée pour mesurer les potentiels standard d’électrode de chaque demi-cellule.
