I) Aperçu historique : 1) Electrostatique : Les phénomènes électrostatiques sont connus depuis l'antiquité. Le fait de frotter un morceau d'ambre (résultat de la fossilisation de la sève) avec un morceau de drap lui confère la propriété d'attirer de petits bouts de papier ou de détourner un filet d eau. "Electron" est le mot grec qui désigne l'ambre jaune et qui a donné le nom d'électricité. A la fin du XVIII e siècle, l'origine de l'électricité reste un mystère malgré l'invention de la machine électrostatique par l'ingénieur anglais RAMSDEN (1735-1800). Cette machine, à produire des étincelles et donc à accumuler de l'électricité, sera perfectionnée à la fin du XIX e siècle par le physicien britannique James WIMSHURST (1832-1903) après que la nature atomique de l'électricité sera connue.
I) Aperçu historique : 2) Volta et Galvani : En 1786, l'anatomiste italien Luigi GALVANI (1737-1798) expérimente les effets de l'électricité produite par la machine de Ramsden sur des cadavres d'animaux (en particulier les grenouilles). A la suite de ses travaux, Galvani en conclut à l'existence d'une "électricité animale" (ancêtre de l'influx nerveux). Le physicien Alessandro VOLTA (1745-1827) ayant entendu parler des travaux de Galvani, entreprend ses propres expériences pour démontrer que l'électricité a pour origine, au contraire, la nature des contacts entre des métaux différents. C'est pour prouver sa théorie que Volta, en 1800, commence à imaginer des instruments composés de disque de métaux différents (cuivre et zinc) empilés les uns sur les autres et séparés par de la feutrine, le tout est immergé dans l'eau acidulée (solution aqueuse acide). C'est de ces disques empilés qui produisent de l'électricité que vient le nom de "pile".
I) Aperçu historique : 3) Becquerel et Daniel : Au cours du début du XIX e siècle de nombreux savants, comme CRUIKSHANK, WOLLASTON, DAVY, améliorent l'efficacité de la "pile". Parallèlement, d'autres physiciens comme GAY-LUSSAC, AMPERE, ARAGO font progresser la connaissance sur l'origine de l'électricité. Mais, les piles s'usent rapidement, leur efficacité décroît (leur force électromotrice diminue). Cette perte d'efficacité est due à des phénomènes de polarisation. Pour palier à cet inconvénient, en 1829, le physicien français Antoine BECQUEREL (1788-1878) met au point une nouvelle pile. Dans cette pile, le zinc (Zn), plongeant dans une solution de sulfate de zinc(zn 2+, SO 2-4 ), est séparé du cuivre (Cu), plongeant dans une solution de sulfate de cuivre, par une membrane de baudruche (vessie de porc). En 1836, le physicien anglais John Frédéric DANIEL (1790-1845) améliore encore la pile en remplaçant la membrane par une paroi poreuse en terre semi-cuite.
1) Description et utilisation : La pile zinc/cuivre comporte deux compartiments : - le compartiment n 1 contient une solution aqueuse de sulfate de zinc dans laquelle plonge une lame de zinc. Nous avons donc le couple Zn 2+ /Zn. - le compartiment n 2 contient une solution de sulfate de cuivre II dans laquelle plonge une lame de cuivre. Nous sommes en présence du couple Cu 2+ /Cu. L'ensemble constitué par une électrode métallique plongeant dans une solution aqueuse des ions de ce métal constitue une demi-pile. Elle met en présence les deux partenaires d'un couple Oxydant/Réducteur.
1) Description et utilisation : Les deux compartiments sont reliés par un pont électrochimique qui permet le contact électrique entre les deux solutions, sans qu'elles se mélangent. On branche un ampèremètre en série avec une résistance aux bornes de la pile zinc/cuivre. Le sens de déviation de l'aiguille de l'ampèremètre montre que la lame de cuivre constitue la borne positive (+), la lame de zinc constituant la borne négative (-).
2) Interprétation : Des réactions chimiques ont lieu lors du fonctionnement de la pile zinc/cuivre : La lame de zinc (Zn) est attaquée tandis que des ions cuivre II (Cu 2+ ) disparaissent dans la solution de sulfate de cuivre II. - A l'électrode de cuivre : arrivent à la fois des ions cuivre II (Cu 2+ ) de la solution et des électrons (e - ) du circuit qui vont réagir pour former du cuivre (Cu) : Les ions cuivre II sont réduits : Cu 2+ + 2 e - Cu - A l'électrode de zinc : du métal zinc (Zn) cède des électrons (e - ) qui quittent l'électrode, le zinc passe sous forme d'ions (Zn 2+ ) en solution : Le zinc est oxydé : Zn Zn 2+ + 2 e -
3) Déplacement des porteurs de charges : Lors du fonctionnement de la pile, le passage du courant est assuré par : - les électrons libres (e - ) des parties métalliques du circuit et des électrodes de zinc (Zn) et de cuivre (Cu). - les ions zinc (Zn 2+ ), cuivre II (Cu 2+ ) et sulfate (SO 2-4 ) dans les solutions des deux compartiments, ainsi que les ions chlorure (Cl - e ) et potassium - e - (K + ) du pont électrochimique. A l'intérieur de la pile utilisée comme générateur, les ions Zn 2+, Cu 2+ et les cations (K + ) du pont électrochimique tendent à se déplacer vers l'électrode de cuivre (borne +), les ions SO 4 2- et les anions (Cl - ) du pont électrochimique tendent à se déplacer vers l'électrode de zinc (borne -). Zn 2+ Cl - K + Cu 2+ SO 4 - SO 4 -
4) Bilan des transformations : Pendant un intervalle de temps Dt, n électrons quittent l'électrode de zinc et pénètrent dans le circuit extérieur. Le circuit extérieur n'accumulant pas les électrons, il doit "ressortir" le même nombre n d'électrons à l'électrode de cuivre, pendant le même intervalle de temps Dt. Durant l'intervalle de temps Dt, il s'est donc formé n/2 ions zinc (Zn 2+ ) dans la demi-pile de l électrode de zinc, tandis que n/2 ions cuivre (Cu 2+ ) ont disparu de la demi-pile de l électrode de cuive pour donner du métal cuivre. Dans un intervalle de temps donné Dt, il y a autant d'ions zinc formés que d'ions cuivre (II) consommés. On a donc : Cu 2+ + 2 e - Cu Zn Zn 2+ + 2 e - Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s) Le bilan des transformations chimiques dans la pile zinc/cuivre est le même que le bilan de la réaction spontanée d'oxydoréduction qui se produit entre le zinc et les ions cuivre II. L'oxydant le plus fort est présent dans la demi-pile de la borne (+) et le réducteur le plus fort est présent dans la demi-pile de la borne (-).
5) Tension à vide ou "force électromotrice" (f.é.m.) : Avec un voltmètre électronique, nous pouvons mesurer la tension U PN aux bornes de la pile. Le courant étant nul, on a U PN = E, tension à vide ou f.é.m. Si les concentrations des solutions des deux demi-piles sont égales, nous trouvons : E = 1,10 V On convient de représenter la pile en écrivant les symboles des corps qui interviennent dans les réactions d'oxydoréduction de la pile : (-) Zn Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) Cu (+)
6) Géneralisation : Nous pourrions construire d'autres demi-piles en plongeant une lame de métal M dans une solution contenant l'ion M n+. Pour la pile (-) M M n+ (aq) M n + (aq) M (+), utilisée en générateur : - l'oxydant le plus fort est présent dans la demi-pile de l électrode positive (+). Il capte des électrons du circuit extérieur : il est réduit. - le réducteur le plus fort est présent dans la demi-pile de l électrode négative (-). Il fournit les électrons au circuit extérieur : il est oxydé.