Cellules voltaïques
Une cellule voltaïque est un dispositif qui produit un courant électrique à partir de l’énergie libérée par une réaction d’oxydoréduction spontanée dans deux demi-cellules.
Objectifs d’apprentissage
Rappelons que la réduction se produit à la cathode et l’oxydation se produit à l’anode dans une cellule voltaïque
Points clés
Points clés
- L’oxydation décrit la perte d’électrons par une molécule, un atome ou un ion.
- La réduction décrit le gain d’électrons par une molécule, un atome ou un ion.
- Les électrons circulent toujours de l’anode à la cathode.
- Les demi-cellules sont reliées par un pont de sel qui permet aux ions de la solution de passer d’une demi-cellule à l’autre, afin que la réaction puisse continuer.
Termes clés
- redox: Réaction chimique réversible dans laquelle une réaction est une oxydation et l’inverse est une réduction.
- demi-cellule : L’une ou l’autre des deux parties d’une cellule électrochimique contenant une électrode et un électrolyte.
- cellule voltaïque: Une cellule, comme dans une batterie, dans laquelle une réaction chimique irréversible génère de l’électricité; une cellule qui ne peut pas être rechargée.
Une cellule électrochimique est un dispositif qui produit un courant électrique à partir de l’énergie libérée par une réaction d’oxydoréduction spontanée. Ce type de cellule comprend la cellule galvanique, ou voltaïque, nommée d’après Luigi Galvani et Alessandro Volta. Ces scientifiques ont mené plusieurs expériences sur les réactions chimiques et le courant électrique à la fin du 18ème siècle.
Les cellules électrochimiques ont deux électrodes conductrices, appelées anode et cathode. L’anode est définie comme l’électrode où se produit l’oxydation. La cathode est l’électrode où la réduction a lieu. Les électrodes peuvent être fabriquées à partir de matériaux suffisamment conducteurs, tels que des métaux, des semi-conducteurs, du graphite et même des polymères conducteurs. Entre ces électrodes se trouve l’électrolyte, qui contient des ions qui peuvent se déplacer librement.
La cellule voltaïque utilise deux électrodes métalliques différentes, chacune dans une solution d’électrolyte. L’anode subira une oxydation et la cathode subira une réduction. Le métal de l’anode va s’oxyder, passant d’un état d’oxydation de 0 (sous forme solide) à un état d’oxydation positif, et il deviendra un ion. À la cathode, l’ion métallique dans la solution acceptera un ou plusieurs électrons de la cathode et l’état d’oxydation de l’ion se réduira à 0. Cela forme un métal solide qui se dépose sur la cathode. Les deux électrodes doivent être reliées électriquement l’une à l’autre, ce qui permet un flux d’électrons qui quittent le métal de l’anode et traversent cette connexion vers les ions à la surface de la cathode. Ce flux d’électrons est un courant électrique qui peut être utilisé pour effectuer des travaux, tels que faire tourner un moteur ou alimenter une lumière.
Exemple de réaction
Le principe de fonctionnement de la cellule voltaïque est une réaction simultanée d’oxydation et de réduction, appelée réaction redox. Cette réaction redox consiste en deux demi-réactions. Dans une cellule voltaïque typique, la paire redox est le cuivre et le zinc, représentée dans les réactions de demi-cellule suivantes:
Électrode de zinc (anode): Zn(s) → Zn2 + (aq) +2 e –
Électrode de cuivre (cathode): Cu2 +(aq) + 2 e – → Cu(s)
Les cellules sont construites dans des béchers séparés. Les électrodes métalliques sont immergées dans des solutions d’électrolyte. Chaque demi-cellule est reliée par un pont de sel, ce qui permet le libre transport des espèces ioniques entre les deux cellules. Lorsque le circuit est terminé, le courant circule et la cellule « produit” de l’énergie électrique.
Une cellule galvanique, ou voltaïque: La cellule est constituée de deux demi-cellules connectées via un pont de sel ou une membrane perméable. Les électrodes sont immergées dans des solutions d’électrolyte et connectées par une charge électrique.
Le cuivre oxyde facilement le zinc ; l’anode est le zinc et la cathode est le cuivre. Les anions dans les solutions sont des sulfates des métaux respectifs. Lorsqu’un dispositif électriquement conducteur relie les électrodes, la réaction électrochimique est :
Zn + Cu2 + → Zn2++Cu