Cellules galvaniques

électrochimie

L’électrochimie est une branche de la chimie qui étudie la relation entre l’énergie électrique et un changement chimique. Ces réactions chimiques impliquent le mouvement d’électrons d’une espèce à une autre. Ce mouvement génère du courant ou est entraîné par le courant appliqué.

La réaction clé en électrochimie est la réaction d’oxydoréduction, ou réaction redox. La réaction d’oxydoréduction est composée de deux demi-réactions ; la réaction d’oxydation, où une substance perd des électrons, et la réaction de réduction, où une substance gagne des électrons. Cette réaction chimique entraîne le changement d’état d’oxydation de chaque substance.

L’atome ou la molécule qui perd des électrons, ou qui est oxydé, est l’agent réducteur. L’atome ou la molécule qui accepte les électrons, ou qui est réduit, est l’agent oxydant. L’une des méthodes pour se souvenir de ces relations consiste à utiliser l’expression « plate-forme pétrolière », qui signifie « oxidation is losing – reduction i s gaining ».

Cellules électrochimiques

Une pile électrochimique est un dispositif qui génère un courant électrique à partir de l’énergie libérée par une réaction d’oxydoréduction. Une cellule électrochimique se compose d’une ou plusieurs chambres de réaction et de deux électrodes conductrices : une anode et une cathode. L’anode et la cathode sont connectées électriquement, et la chambre de réaction est remplie d’un électrolyte. Entre les deux chambres se trouve un pont salin, qui complète le circuit et permet aux ions de passer entre les électrodes.

La réduction se produit au niveau de la cathode, tandis que l’oxydation se produit au niveau de l’anode. Cela peut être facilement mémorisé à l’aide du mnémonique « chat rouge », ce qui signifie que l’induction rougese produit au niveau de la cage du chat.

Il existe deux types de cellules électrochimiques. L’une est la cellule électrolytique, qui utilise l’énergie électrique pour provoquer une réaction non spontanée. Dans ce type de cellule, l’énergie électrique est fournie par une source d’alimentation externe. L’autre type de cellule est la pile galvanique, qui utilise une réaction spontanée pour générer de l’énergie électrique. Les batteries sont un exemple de cellules galvaniques.

Cellules galvaniques

Les cellules galvaniques, également appelées cellules voltaïques, sont constituées de deux demi-cellules. Chaque demi-cellule contient une électrode métallique immergée dans un électrolyte. Un circuit externe relie les deux électrodes, et un pont salin relie les deux solutions d’électrolytes. Les électrons circulent de l’anode à la cathode. La demi-réaction d’oxydation a lieu à l’anode, tandis que la demi-réaction de réduction se produit au niveau de la cathode. Par exemple, dans une pile galvanique entre le cuivre et le magnésium, la demi-réaction suivante se produit au niveau de la cathode :

Cu²⁺ + 2e^- → Cu

Et la demi-réaction suivante se produit à l’anode :

Mg → Mg²⁺ + 2e^-

Comme les électrons sont perdus lors de l’oxydation à l’anode, ils voyagent dans le circuit externe pour réduire la cathode, générant du courant.

Au fur et à mesure que l’anode est oxydée, la concentration de cations augmente dans l’électrolyte. De même, à mesure que la cathode est réduite, la concentration d’anions augmente dans l’électrolyte. Pour maintenir la neutralité électrique, les ions traversent le pont salin. Lorsque des cations sont créés à l’anode, les anions se déplacent de la solution du côté de l’anode en utilisant le pont salin. Du côté de la cathode, des anions sont créés, incitant les cations à se déplacer du pont salin à la solution du côté de la cathode. Il est important de se rappeler que les électrons voyagent à travers les fils du circuit externe et que les ions circulent à travers le pont salin et les solutions.

Potentiel de réduction

Certains métaux ont plus tendance que d’autres à perdre des électrons. Par conséquent, l’amplitude du courant électrique produit par une pile galvanique dépend des types d’électrodes métalliques. Le potentiel d’électrode standard (E^o) d’une substance est la mesure de la tendance d’une substance à perdre des électrons. Si deux métaux avec des potentiels d’électrode presque égaux sont utilisés, l’amplitude du courant produit sera faible. Si deux métaux avec des potentiels d’électrode très différents sont utilisés, l’amplitude du courant sera grande. Plus le potentiel de réduction est grand, plus le métal est susceptible d’être réduit et d’agir comme agent oxydant.

Pour en revenir à la pile galvanique cuivre-magnésium, le potentiel d’électrode standard du cuivre est de 0,337 volts, tandis que le potentiel d’électrode standard du magnésium est de -2,370 volts. Dans cet exemple, le cuivre est la cathode et le magnésium est l’anode.

Lors de la réalisation d’une expérience sur une pile galvanique, la différence de potentiel entre les deux électrodes est surveillée à l’aide d’un multimètre. La tension mesurée est égale à la différence de potentiel entre les deux demi-réactions.

ΔEº =_{Eº cathode} -_{Eº anode}

Le potentiel d’électrode standard suppose que les deux demi-cellules sont dans des conditions standard de 1 M, 1 bar et 298,15 K (25 °C). La tension dépend de la concentration des solutions d’électrolyte, qui peut être déterminée à l’aide de l’équation de Nernst.

Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chimie et réactivité chimique. Belmont, Californie : Brooks/Cole, Cengage Learning.

Une réaction électrochimique est un processus dans lequel des électrons sont transférés entre deux substances, l’une perdant des électrons et l’autre en gagnant. Lorsqu’une substance perd des électrons, on dit qu’elle a subi une oxydation ou qu’elle a été oxydée. Lorsqu’il gagne des électrons, on dit qu’il a subi une réduction ou qu’il a été réduit. Pour vous aider à faire la distinction entre les deux, rappelez-vous l’expression « plate-forme pétrolière », qui signifie que l’oxydation est perdante, la réduction est gagnante. Certaines réactions électrochimiques se produisent spontanément, que nous pouvons étudier dans une pile galvanique.

La cellule galvanique est composée de quatre parties principales. Tout d’abord, il y a deux électrodes métalliques, chacune étant immergée dans une solution électrolytique différente. Les solutions sont constituées des ions nécessaires aux demi-réactions, soit la réaction d’oxydation, soit la réaction de réduction, qui se produisent à chaque électrode. Les solutions sont reliées par un pont salin, qui permet la circulation des ions et maintient la neutralité de charge des solutions. Les électrodes sont reliées par un circuit externe, à travers lequel les électrons voyagent au cours de la réaction.

L’anode est l’électrode qui cède des électrons dans la réaction ou qui est oxydée. La cathode est l’électrode qui gagne des électrons et qui est réduite. Pour vous aider à distinguer ces deux étiquettes, rappelez-vous l’expression « chat rouge », car la réduction se produit au niveau de la cathode.

Alors, comment savoir quel métal fait office d’anode et lequel fait office de cathode ? Nous pouvons utiliser le potentiel d’électrode standard du métal, qui est une mesure de la tendance du métal à perdre des électrons. Un potentiel d’électrode plus négatif signifie que le métal a une plus grande tendance à perdre des électrons. Les électrons circulent toujours du métal ayant le potentiel standard le plus faible vers le métal ayant le potentiel standard le plus élevé.

Dans une pile galvanique, les électrons circulent de l’anode à la cathode, donc l’anode est le métal avec le potentiel standard le plus faible, et la cathode est le métal avec le potentiel standard le plus élevé. Lorsque les électrons se déplacent entre les deux électrodes, un potentiel électrique est mesuré. L’amplitude de la tension produite est égale au potentiel standard de la cathode moins le potentiel standard de l’anode.

Ainsi, si deux métaux avec des potentiels d’électrode standard similaires sont utilisés dans la pile galvanique, comme le plomb et l’étain, par exemple, l’amplitude de la tension produite sera faible. Si les métaux ont des potentiels standard différents, comme l’argent et le magnésium, la tension produite sera élevée.

Dans ce laboratoire, vous construirez une cellule galvanique à l’aide de deux électrodes métalliques et mesurerez le potentiel produit lors des réactions d’oxydation et de réduction. Vous identifierez ensuite les électrodes métalliques inconnues à l'aide de potentiels standard connus et déterminerez l'amplitude de la tension produite.