Objectif d’apprentissage
- Rappelons que la réduction se produit à la cathode et l’oxydation à l’anode dans une pile voltaïque
Points clés
- L’oxydation décrit la perte d’électrons par une molécule, atome ou ion.
- La réduction décrit le gain d’électrons par une molécule, un atome ou un ion.
- Les électrons circulent toujours de l’anode vers la cathode.
- Les demi-cellules sont reliées par un pont salin qui permet aux ions de la solution de passer d’une demi-cellule à l’autre, afin que la réaction puisse se poursuivre.
Termes
- pile voltaïquePile, comme dans une batterie, dans laquelle une réaction chimique irréversible produit de l’électricité ; pile qui ne peut pas être rechargée.
- redoxRéaction chimique réversible dans laquelle une réaction est une oxydation et l’inverse une réduction.
- demi-celluleL’une des deux parties d’une cellule électrochimique contenant une électrode et un électrolyte.
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 l’anode et la cathode. L’anode est définie comme l’électrode où se produit l’oxydation. La cathode est l’électrode où se produit la réduction. Les électrodes peuvent être fabriquées à partir de n’importe quel matériau suffisamment conducteur, comme les métaux, les semi-conducteurs, le graphite et même les polymères conducteurs. Entre ces électrodes se trouve l’électrolyte, qui contient des ions qui peuvent se déplacer librement.
La pile voltaïque utilise deux électrodes métalliques différentes, chacune dans une solution d’électrolyte. L’anode va subir une oxydation et la cathode une réduction. Le métal de l’anode va s’oxyder, passant d’un état d’oxydation de 0 (à l’état solide) à un état d’oxydation positif, et il va devenir un ion. À la cathode, l’ion métallique de la solution va accepter un ou plusieurs électrons de la cathode, et l’état d’oxydation de l’ion va se réduire 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 passent par cette connexion pour atteindre les ions à la surface de la cathode. Ce flux d’électrons est un courant électrique qui peut être utilisé pour effectuer un travail, comme faire tourner un moteur ou alimenter une lumière.
Exemple de réaction
Le principe de fonctionnement de la pile voltaïque est une réaction d’oxydation et de réduction simultanée, appelée réaction redox. Cette réaction d’oxydoréduction est constituée de deux demi-réactions. Dans une cellule voltaïque typique, le couple redox est constitué de cuivre et de zinc, représentés dans les réactions de demi-cellule suivantes :
L’électrode de zinc (anode) : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-
Electrode 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’électrolytes. Chaque demi-cellule est reliée par un pont salin, qui permet le transport libre des espèces ioniques entre les deux cellules. Lorsque le circuit est complet, le courant circule et la cellule « produit » de l’énergie électrique.
Le cuivre oxyde facilement le zinc ; l’anode est le zinc et la cathode le cuivre. Les anions des solutions sont des sulfates des métaux respectifs. Lorsqu’un dispositif électriquement conducteur relie les électrodes, la réaction électrochimique est :
Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
L’électrode de zinc produit deux électrons lorsqu’elle est oxydée (Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-), qui se déplacent dans le fil jusqu’à la cathode de cuivre. Les électrons trouvent alors le Cu2+ en solution et le cuivre est réduit en cuivre métallique (Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu). Au cours de la réaction, l’électrode de zinc sera utilisée et la taille du métal diminuera, tandis que l’électrode de cuivre deviendra plus grande en raison du dépôt de Cu qui est produit. Un pont salin est nécessaire pour que la charge continue de circuler dans la cellule. Sans un pont salin, les électrons produits à l’anode s’accumuleraient à la cathode et la réaction cesserait de fonctionner.
Les cellules photovoltaïques sont généralement utilisées comme source d’énergie électrique. De par leur nature, elles produisent un courant continu. Une batterie est un ensemble de cellules voltaïques qui sont connectées en parallèle. Par exemple, une batterie plomb-acide possède des cellules dont les anodes sont composées de plomb et les cathodes de dioxyde de plomb.
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