Activité électronique dans les réactions chimiques

Jusqu'à présent, dans nos discussions sur l'électricité et les circuits électriques, nous n'avons pas discuté en détail du fonctionnement des batteries. Au contraire, nous avons simplement supposé qu'ils produisent une tension constante par le biais d'une sorte de processus mystérieux. Ici, nous allons explorer ce processus dans une certaine mesure et couvrir certaines des considérations pratiques liées aux vraies batteries et à leur utilisation dans les systèmes d'alimentation.

Dans le premier chapitre de ce livre, le concept d'atome a été discuté, de même que le bloc de construction de base de tous les objets matériels. Les atomes, à leur tour, sont composés de morceaux de matière encore plus petits appelés particules . Les électrons, les protons et les neutrons sont les types de particules de base trouvés dans les atomes. Chacun de ces types de particules joue un rôle distinct dans le comportement d'un atome. Alors que l'activité électrique implique le mouvement des électrons, l'identité chimique d'un atome (qui détermine en grande partie la conductivité du matériau) est déterminée par le nombre de protons dans le noyau (centre).

Les protons dans le noyau d'un atome sont extrêmement difficiles à déloger, et donc l'identité chimique d'un atome est très stable. L'un des objectifs des anciens alchimistes (transformer le plomb en or) a été déjoué par cette stabilité subatomique. Tous les efforts pour modifier cette propriété d'un atome au moyen de la chaleur, de la lumière ou de la friction ont échoué. Les électrons d'un atome, cependant, sont beaucoup plus facilement délogés. Comme nous l'avons déjà vu, le frottement est un moyen par lequel les électrons peuvent être transférés d'un atome à un autre (verre et soie, cire et laine), ainsi que la chaleur (générant une tension en chauffant une jonction de métaux différents, comme dans le cas de thermocouples).

Types de liaison chimique

Les électrons peuvent faire bien plus que simplement se déplacer autour et entre les atomes :ils peuvent également servir à relier différents atomes entre eux. Cette liaison des atomes par les électrons s'appelle une liaison chimique . Une représentation brute (et simplifiée) d'une telle liaison entre deux atomes pourrait ressembler à ceci :

Il existe plusieurs types de liaisons chimiques, celle présentée ci-dessus est représentative d'une liaison covalente liaison, où les électrons sont partagés entre les atomes. Parce que les liaisons chimiques sont basées sur des liaisons formées par les électrons, ces liaisons sont aussi fortes que l'immobilité des électrons qui les forment. C'est-à-dire que des liaisons chimiques peuvent être créées ou rompues par les mêmes forces qui forcent les électrons à se déplacer :chaleur, lumière, friction, etc.

Lorsque les atomes sont liés par des liaisons chimiques, ils forment des matériaux aux propriétés uniques appelées molécules . L'image à deux atomes présentée ci-dessus est un exemple de molécule simple formée de deux atomes du même type. La plupart des molécules sont des unions de différents types d'atomes. Même les molécules formées par des atomes du même type peuvent avoir des propriétés physiques radicalement différentes. Prenons l'élément carbone, par exemple :sous une forme, le graphite , les atomes de carbone se lient pour former des « plaques » plates qui glissent très facilement les unes contre les autres, conférant au graphite ses propriétés lubrifiantes naturelles. Sous une autre forme, diamant , les mêmes atomes de carbone se lient dans une configuration différente, cette fois sous la forme de pyramides imbriquées, formant le matériau d'une dureté excessive. Sous une autre forme, Fullerene, des dizaines d'atomes de carbone forment chaque molécule, qui ressemble à un ballon de football. Les molécules de fullerène sont très fragiles et légères. La suie aérée formée par une combustion excessivement riche de gaz acétylène (comme lors de l'allumage initial d'un chalumeau de soudage/coupage oxyacétylénique) contient de nombreuses molécules de fullerène.

Lorsque les alchimistes réussissaient à modifier les propriétés d'une substance par la chaleur, la lumière, la friction ou un mélange avec d'autres substances, ils observaient en réalité des changements dans les types de molécules formées par la rupture des atomes et la formation de liaisons avec d'autres atomes. La chimie est le pendant moderne de l'alchimie et s'intéresse principalement aux propriétés de ces liaisons chimiques et aux réactions qui leur sont associées.

Un type de liaison chimique d'un intérêt particulier pour notre étude des batteries est la soi-disant ionique lien, et il diffère du covalent liaison en ce qu'un atome de la molécule possède un excès d'électrons tandis qu'un autre atome manque d'électrons, les liaisons entre eux étant le résultat de l'attraction électrostatique entre les deux charges différentes.

Lorsque des liaisons ioniques sont formées à partir d'atomes neutres, il y a un transfert d'électrons entre les atomes chargés positivement et négativement. Un atome qui gagne un excès d'électrons est dit réduit; un atome avec un déficit en électrons est dit oxydé . Un mnémonique pour aider à se souvenir des définitions est OIL RIG (l'oxyde est moins; réduit est gagné). Il est important de noter que les molécules contiennent souvent des liaisons ioniques et covalentes. L'hydroxyde de sodium (lessive, NaOH) a une liaison ionique entre l'atome de sodium (positif) et l'ion hydroxyle (négatif). L'ion hydroxyle a une liaison covalente (indiquée par une barre) entre les atomes d'hydrogène et d'oxygène :

Na+ O—H- Le sodium ne perd qu'un électron, sa charge est donc de +1 dans l'exemple ci-dessus. Si un atome perd plus d'un électron, la charge résultante peut être indiquée par +2, +3, +4, etc. ou par un chiffre romain entre parenthèses indiquant l'état d'oxydation, tel que (I), (II), ( IV), etc. Certains atomes peuvent avoir plusieurs états d'oxydation, et il est parfois important d'inclure l'état d'oxydation dans la formule moléculaire pour éviter toute ambiguïté.

Comment fonctionne une cellule voltaïque ?

La formation d'ions et de liaisons ioniques à partir d'atomes ou de molécules neutres (ou vice versa ) implique le transfert d'électrons. Ce transfert d'électrons peut être exploité pour générer un courant électrique. Un appareil conçu pour faire exactement cela s'appelle une cellule voltaïque , ou cellule pour faire court, généralement constitué de deux électrodes métalliques immergées dans un mélange chimique (appelé électrolyte ) conçu pour faciliter une telle réaction électrochimique (oxydation/réduction) :

Dans la pile « plomb-acide » commune (du type couramment utilisé dans les automobiles), l'électrode négative est en plomb (Pb) et la positive est en dioxyde de plomb (IV) (PbO2), deux substances métalliques. Il est important de noter que le dioxyde de plomb est métallique et est un conducteur électrique, contrairement aux autres oxydes métalliques qui sont généralement des isolants. (note :tableau ci-dessous) La solution d'électrolyte est un acide sulfurique dilué (H2SO4 + H2O). Si les électrodes de la cellule sont connectées à un circuit externe, de sorte que les électrons aient une place pour passer de l'un à l'autre, les atomes de plomb (IV) dans l'électrode positive (PbO2) gagneront chacun deux électrons pour produire du Pb (II) O. Les atomes d'oxygène qui sont « restants » se combinent avec des ions hydrogène chargés positivement (H)+ pour former de l'eau (H2O). Ce flux d'électrons dans l'électrode en dioxyde de plomb (PbO2) lui confère une charge électrique positive. Par conséquent, les atomes de plomb de l'électrode négative cèdent chacun deux électrons pour produire du plomb Pb(II), qui se combine avec les ions sulfate (SO4-2) produits par la dissociation des ions hydrogène (H+) de l'acide sulfurique (H2SO4) en forment du sulfate de plomb (PbSO4). Le flux d'électrons hors de l'électrode de plomb lui confère une charge électrique négative. Ces réactions sont schématisées ci-dessous :

Remarque sur la nomenclature de l'oxyde de plomb : La nomenclature des oxydes de plomb peut prêter à confusion. Le terme oxyde de plomb peut faire référence à Pb(II)O ou Pb(IV)O2, et le composé correct peut être déterminé généralement à partir du contexte. D'autres synonymes de Pb(IV)O2 sont :dioxyde de plomb, peroxyde de plomb, oxyde de plomb, oxyde de plomb brun et superoxyde de plomb. Le terme peroxyde de plomb est particulièrement déroutant, car il implique un composé de plomb (II) avec deux atomes d'oxygène, Pb(II)O2, qui n'existe apparemment pas. Malheureusement, le terme peroxyde de plomb a persisté dans la littérature industrielle. Dans cette section, le dioxyde de plomb sera utilisé pour désigner le Pb(IV)O2, et l'oxyde de plomb fera référence au Pb(II)O. Les états d'oxydation ne seront généralement pas affichés.

Ce processus de la cellule fournissant de l'énergie électrique pour alimenter une charge est appelé décharge car il épuise ses réserves chimiques internes. Théoriquement, une fois tout l'acide sulfurique épuisé, le résultat sera deux électrodes de sulfate de plomb (PbSO4) et une solution électrolytique d'eau pure (H2O), ne laissant plus aucune capacité de liaison ionique supplémentaire. Dans cet état, la cellule est dite complètement déchargée . Dans une cellule plomb-acide, l'état de charge peut être déterminé par une analyse de la force de l'acide. Ceci est facilement accompli avec un appareil appelé hydromètre , qui mesure la densité (densité) de l'électrolyte. L'acide sulfurique est plus dense que l'eau, donc plus la charge d'une cellule est élevée, plus la concentration en acide est élevée, et donc une solution électrolytique plus dense.

Il n'y a pas de réaction chimique unique représentative de toutes les cellules voltaïques, donc toute discussion détaillée de la chimie a forcément une application limitée. La chose importante à comprendre est que les électrons sont motivés vers et/ou depuis les électrodes de la cellule via des réactions ioniques entre les molécules d'électrode et les molécules d'électrolyte. La réaction est activée lorsqu'il existe un chemin externe pour le courant électrique et s'arrête lorsque ce chemin est interrompu.

Étant donné que la motivation des électrons à se déplacer à travers une cellule est de nature chimique, la quantité de tension (force électromotrice) générée par une cellule sera spécifique à la réaction chimique particulière pour ce type de cellule. Par exemple, la pile au plomb qui vient d'être décrite a une tension nominale de 2,04 volts par pile, sur la base d'une pile entièrement « chargée » (forte concentration en acide) en bon état physique. Il existe d'autres types de cellules avec des sorties de tension spécifiques différentes. La cellule Edison , par exemple, avec une électrode positive en oxyde de nickel, une électrode négative en fer et une solution électrolytique d'hydroxyde de potassium (une substance caustique et non acide) génère une tension nominale de seulement 1,2 volt, en raison des différences spécifiques en réaction chimique avec ces substances d'électrode et d'électrolyte.

Les réactions chimiques de certains types de cellules peuvent être inversées en forçant le courant électrique vers l'arrière à travers la cellule (in l'électrode négative et out l'électrode positive). Ce processus est appelé chargement . Une telle cellule (rechargeable) est appelée cellule secondaire . Une cellule dont la chimie ne peut pas être inversée par un courant inverse est appelée cellule primaire .

Lorsqu'une cellule plomb-acide est chargée par une source de courant externe, les réactions chimiques subies lors de la décharge sont inversées :

AVIS :

• Les atomes liés entre eux par des électrons sont appelés molécules .
• Liaisons ioniques sont des unions moléculaires formées lorsqu'un atome déficient en électrons (un ion positif) se joint à un atome en excès d'électrons (un ion négatif).
• Les réactions électrochimiques impliquent le transfert d'électrons entre les atomes. Ce transfert peut être exploité pour former un courant électrique.
• Une cellule est un appareil conçu pour exploiter de telles réactions chimiques afin de générer du courant électrique.
• Une cellule est dite déchargée lorsque ses réserves chimiques internes ont été épuisées par l'utilisation.
• Un secondaire la chimie de la cellule peut être inversée (rechargée) en forçant le courant à la traverser.
• Un primaire la cellule ne peut pas être pratiquement rechargée.
• La charge des piles au plomb peut être évaluée avec un instrument appelé hydromètre , qui mesure la densité de l'électrolyte liquide. Plus l'électrolyte est dense, plus la concentration en acide est forte et plus l'état de charge de la cellule est élevé.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail sur la structure atomique