3.14 Modèles de piles chimiques

a) réaction parasite et polarisation

            La pile électrique construite en 1800 comprend des plaques de cuivre P et de zinc N trempées dans un bain d'acide, nitrique ou sulfurique S . Mais la pile voit sa capacité d'opération diminuer rapidement, même lorsqu'elle n'est pas en opération, puisque les plaques de zinc se détériorent rapidement. Cet effet est dit réaction parasite et est dû aux impuretés de la surface du zinc. William Sturgeon (1783-1850) résout ce problème en 1828 en amalgamant le zinc par frottage avec du mercure à l'aide d'un linge imprégné d'acide. Il produit ainsi une surface zinc sans trace d'impuretés en contact avec l'électrolyte.

            Une molécule d'acide sulfurique se décompose dans l'eau en deux ions positifs (cations) d'hydrogène H ⁺ et un ion négatif (anion) SO₄^{- -} . Les atomes de zinc Zn , en surface de la plaque N , se dissolvent lentement dans l'acide en ions positifs Zn⁺⁺ qui s'unissent avec les anions SO₄^{- -} pour former du sulfate de zinc. La plaque de zinc N se charge négativement, puisqu'elle cède des charges positives.

            Évidemment, des cations d'hydrogène H ⁺ de l'électrolyte se retrouvent à la plaque de cuivre P . Là ils reçoivent les charges négatives requises pour annuler leur charge positive. De ce fait, la plaque de cuivre P cède des charges négatives, et donc, se charge positivement. Les cations d'hydrogène, déchargés, se pairent pour former des molécules d'hydrogène H₂ , lesquelles se groupent en bulles de gaz qui s'échappent, pour la plupart.

            Mais même ce type de pile électrique fournit un courant de plus en plus faible avec le temps. Cela parce qu'un nombre sans cesse croissant de bulles d'hydrogène B restent collées contre la surface de cuivre P et isolent la plaque de cuivre de l'électrolyte, empêchant le "mouvement" des cations. Ce phénomène est dit polarisation.

b) la pile de Daniell

  Pile de Daniell

            John Frederic Daniell (1790-1845) met au point en 1836 la première pile impolarisable pratique. Elle porte son nom. Elle comprend une boîte de cuivre P remplie avec une solution de sulfate de cuivre saturée S . La boîte de cuivre P constitue le pôle positif de la pile. Un vase poreux V , contenant une solution d'acide sulfurique diluée L dans laquelle se trouve un bâton de zinc amalgamé N , est placé dans la solution de sulfate de cuivre S . Le bâton de zinc N constitue le pôle négatif de la pile.

            Une molécule d'acide sulfurique, trouvée dans la partie L de la pile, se décompose dans l'eau en deux ions positifs (cations) d'hydrogène H ⁺ et un ion négatif (anion) SO₄^{- -} . Les atomes de zinc Zn , en surface de la plaque N , se dissolvent lentement dans l'acide en ions positifs Zn⁺⁺ qui s'unissent avec les anions SO₄^{- -} pour former du sulfate de zinc. La plaque de zinc N se charge négativement, puisqu'elle cède des charges positives. Des cations d'hydrogène H ⁺ se retrouvent cette fois au séparateur poreux V qui agit comme frontière entre les électrolytes L et S .

            Le sulfate de cuivre de l'électrolyte S se décompose lui-même en anions SO₄^{- -} et en cations Cu⁺⁺ . Ces anions SO₄^{- -} sont attirés par les cations H ⁺ de l'électrolyte L à la frontière V et y forment de l'acide sulfurique. Il n'y a donc pas de formation de bulles d'hydrogène au séparateur. Les cations Cu⁺⁺ reçoivent, à la plaque de cuivre P , les charges négatives requises pour annuler leur charge positive. De ce fait, la plaque de cuivre P se trouve à céder des charges négatives et donc, à se charger positivement.

            Le dépôt qui s'effectue sur le cuivre est également de cuivre, et non pas d'hydrogène, de telle sorte qu'il n'y a pas de polarisation. Des cristaux de sulfate de cuivre C sont placés dans la solution de sulfate de cuivre S afin de la maintenir saturée. (La force électromotrice de pareille pile est de 1,1 V.)

c) la pile Leclanché

 Pile Leclanché

            Georges Leclanché (1839-1882) met au point en 1868 la pile impolarisable qui porte son nom. Son pôle positif est un bâton de charbon P ; il est entouré de bioxyde de manganèse et de charbon en poudre M . Cet ensemble, placé dans un vase poreux V , baigne, ainsi qu'un bâton de zinc N , dans une solution de chlorure d'ammonium S . La région M est solide. La seule région liquide est l'électrolyte S .

            Les atomes de zinc Zn en surface de la plaque N se dissolvent lentement en ions positifs Zn⁺⁺ qui s'unissent avec les anions Cl ^- pour former du chlorure de zinc. La plaque de zinc N se charge négativement, puisqu'elle cède des charges positives à l'électrolyte. Les cations NH₄⁺ vont au bâton de charbon P à travers le vase poreux V et la zone M et y forment de l'ammoniac NH₃ neutre et de l'hydrogène H₂ . Mais le bioxyde de manganèse, qui se trouve dans la région M qui entoure le bâton de charbon P , s'unit alors à l'hydrogène pour faire de l'eau. Il n'y a donc pas de formation de molécules d'hydrogène. (La force électromotrice de cette pile est de 1,5 V.)

d) la pile sèche

    Pile sèche

            Cette pile devient une pile sèche, transportable, si le chlorure d'ammonium S est immobilisé avec une substance gélatineuse. Le bâton de charbon P est alors entouré du mélange pressé de poudre de charbon et de bioxyde de manganèse M , et placé dans un contenant cylindrique de zinc N rempli de gelée électrolytique de chlorure d'ammonium S . Le contenant de zinc N est le pôle négatif, et le bâton de charbon P , recouvert en son sommet d'un capuchon de bronze C , le pôle positif. La partie cylindrique du contenant de zinc est recouverte d'un carton isolant T . La partie supérieure du contenant est fermée par un isolant.

            La pile thermo-électrique, les piles chimiques causent toutes un courant quand elles sont placées dans un circuit, avons-nous vu. Et ce courant cause toujours un champ magnétique. C'est ce dernier phénomène qui va nous préoccuper dans notre prochain chapitre.