Construction de base et fonctionnement de la pile voltaïque

Une cellule voltaïque simple est fabriquée en immergeant une plaque de zinc et une plaque de cuivre dans une solution d'acide sulfurique dilué. Comme le montre la figure, si la plaque de cuivre et la plaque de zinc sont connectées extérieurement à une charge électrique, un courant électrique commence à circuler de la plaque de cuivre vers la plaque de zinc à travers la charge. Cela signifie qu'il existe une certaine différence de potentiel électrique entre la plaque de cuivre et la plaque de zinc. Comme le courant circule du cuivre au zinc, il est évident que la plaque de cuivre devient chargée positivement et la plaque de zinc devient chargée négativement.

Fonctionnement de la cellule voltaïque

Le principe de fonctionnement de la cellule voltaïque repose sur le principe selon lequel, lorsque deux métaux différents sont immergés dans une solution électrolytique, le métal plus réactif aura tendance à se dissoudre dans l'électrolyte sous forme d'ions métalliques positifs, laissant des électrons derrière lui sur la plaque de métal. Ce phénomène rend la plaque de métal plus réactif chargée négativement.

Le métal moins réactif attirera les ions positifs présents dans l'électrolyte, et ces ions positifs se déposeront sur la plaque, la rendant ainsi chargée positivement. Dans ce cas de la cellule voltaïque simple, le zinc se dissout dans la solution d'acide sulfurique sous forme d'ions positifs, puis réagit avec les ions SO4 − − négatifs de la solution pour former du sulfate de zinc (ZnSO4). Le cuivre étant un métal moins réactif, les ions hydrogène positifs de la solution d'acide sulfurique ont tendance à se déposer sur la plaque de cuivre. Plus il y a d'ions de zinc qui sortent dans la solution, plus il y a d'électrons qui restent sur la plaque de zinc. Ces électrons passent ensuite par le conducteur externe connecté entre les plaques de zinc et de cuivre.

En arrivant sur la plaque de cuivre, ces électrons se combinent alors avec les atomes d'hydrogène déposés sur la plaque pour former des atomes d'hydrogène neutres. Ces atomes se combinent ensuite par paires pour former des molécules de gaz hydrogène, qui remontent finalement le long de la plaque de cuivre sous forme de bulles d'hydrogène. L'action chimique qui se produit à l'intérieur de la cellule voltaïque est la suivante,

Cependant, cette action s'arrête lorsque le potentiel de contact entre le Zn et l'acide sulfurique dilué atteint la valeur de 0,62 Volt. Lors de l'opération d'une cellule voltaïque, la plaque de zinc est à un potentiel inférieur par rapport au film de solution adjacent, comme le montre la figure ci-dessous.

De même, lorsqu'une plaque de Cu est placée en contact avec l'électrolyte, les ions hydrogène positifs dans la solution ont tendance à se déposer dessus jusqu'à ce que son potentiel augmente presque à 0,46 V au-dessus de cette solution. Ainsi, la différence de potentiel électrique développée dans une cellule voltaïque est de 0,62 − (− 0,46) = 1,08 Volts.

Dans une cellule voltaïque simple, il y a principalement deux inconvénients, appelés polarisation et action locale.

Polarisation de la cellule voltaïque

On observe que dans cette cellule, le courant diminue progressivement et après un certain temps de fonctionnement, le courant peut cesser complètement. Cette diminution du courant est due au dépôt d'hydrogène sur la plaque de cuivre. Bien que l'hydrogène sorte de la cellule sous forme de bulles, une fine couche d'hydrogène se forme toujours à la surface de la plaque. Cette couche agit comme une isolation électrique, augmentant ainsi la résistance interne de la cellule. En raison de cette couche isolante, les ions d'hydrogène supplémentaires ne peuvent pas obtenir d'électrons de la plaque de cuivre et se déposer sous forme d'ions. Cette couche d'ions d'hydrogène positifs sur la plaque de cuivre exerce une force répulsive sur les autres ions d'hydrogène qui approchent la plaque de cuivre. Ainsi, le courant diminue. Ce phénomène est connu sous le nom de polarisation.

Action locale de la cellule voltaïque

Il a été constaté que même lorsque la cellule voltaïque ne fournit aucun courant, le zinc se dissout continuellement dans l'électrolyte. Cela est dû au fait que certaines traces d'impuretés comme le fer et le plomb dans le zinc commercial forment de minuscules cellules locales qui sont court-circuitées par le corps principal du zinc. L'action de ces cellules parasites ne peut pas être contrôlée, ce qui entraîne un gaspillage de zinc. Ce phénomène est connu sous le nom d'action locale.

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