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Piles et ions
… à la pile à combustible
De Volta…
D’après • La chimie au lycée http://www.cnrs.fr/cnrs-images/chimieaulycee/THEMES/piles/prezpil.htm
• Les piles http://www.cdess.org/Chimie0.htm
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
C’est en inventant un appareil révolutionnaire, la pile, qu’Alessandro Volta fit naître une nouvelle branche de la chimie : l’électrochimie.
Dans une pile, l’énergie électrique est obtenue à partir de l’énergie chimique contenue dans les réactifs.
Depuis 1800, de nombreuses améliorations ont été apportées mais on distingue encore aujourd’hui seulement deux types de piles :
Il existe une multitude de piles différentes. Ce diaporama se propose simplement de présenter les principales étapes qui ont permis d’améliorer l’invention de Volta.
• Les piles classiques où les réactifs sont introduits dès la fabrication et en quantité finie.
• Les piles à combustion où les réactifs sont introduits au fur et à mesure de l’utilisation de la pile.
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
1) La pile de Volta
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
Volta était passionné par la physique, en particulier par l’électricité, et c’est en 1774 que ses
recherches commencent à porter leurs fruits. Il invente plusieurs appareils mais le plus prometteur est celui qu’il nomme « organe électrique artificiel » par analogie avec
l’organe électrique naturel du poisson torpille.
Pour fabriquer cet appareil, il empile des disques d’argent et de zinc, en alternance et en séparant chaque
paire par un tissu imbibé d’eau salée. Ainsi naît en 1800 la pile électrique, premier appareil à délivrer un courant
électrique continu.
Alessandro VOLTAPhysicien italien (1745-1827)
Dessin d’une pile proposée par Volta dans une lettre du 20 mars 1800
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
En réalité, Alessandro Volta réalise plusieurs piles avec d’autres couples de métaux.
Ce sont les métaux de la pile photographiée ci-contre qui permettent d’obtenir la plus grande tension et l’eau salée peut être remplacée par un autre liquide.
La pile de Volta
Etape 1 : Les constituants séparés de la pile de Volta
Vinaigre
Rondelles de zinc Rondelles de cuivre Papier buvard
La pile de Volta
Etape 2 : Les constituants assemblés de la pile de Volta
Calibre : 200 mV continu
La pile de Volta
Etape 3 : Les constituants empilés de la pile de Volta
Calibre : 20 V continu
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
Volta imagine aussi un dispositif à couronne de tasses.
Des tasses remplies d’eau salée sont reliées par deux métaux différents et soudés.
Un autre modèle appelé « pile à auge » fut plus tard utilisé par Ampère.
Mais c’est bien l’appareil ou les métaux sont empilés qui donne son nom à la pile.
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
2) La pile Daniell
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
La première amélioration notable de la pile de Volta intervient quelques décennies plus tard grâce à J.F. Daniell, professeur au Collège Royal de Londres.
En 1836, sa première pile consiste en une boîte de cuivre contenant une solution aqueuse de sulfate de cuivre dans laquelle plonge un œsophage de bœuf contenant une solution diluée d’acide sulfurique et une tige de zinc.
En 1842, il remplace l’œsophage de bœuf par un vase poreux.
Aujourd’hui, la solution diluée d’acide sulfurique est remplacée par une solution de sulfate de zinc.
La pile Daniell
Etape 1 : Les constituants séparés de la pile Daniell
Etape 2.1 : Les constituants assemblés de la pile Daniell
La pile Daniell
Etape 2.2 : Les constituants assemblés de la pile Daniell
La pile Daniell
Etape 2.3 : Les constituants assemblés de la pile Daniell
La pile Daniell
Etape 3 : La tension aux bornes d’une pile Daniell
La pile Daniell
Calibre : 2 V continu
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
Désormais, le principe de fabrication des piles est fixé. Elles seront toutes constituées de deux électrodes séparées par un électrolyte.
Malgré les améliorations apportées par Daniell, sa pile présente l’inconvénient de contenir un électrolyte liquide ce qui rend plus difficile le transport de l’appareil.
Il faut attendre le milieu du XIXe siècle pour voir apparaître les premières piles dites « sèches » avec l’invention du scientifique français Georges Leclanché.
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
3) La pile saline
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
La pile Leclanché, inventée en 1867, appartient à la famille des piles salines. Sa forme est cylindrique et elle fournit une tension de valeur 1,5 V. Elle a dominé le marché pendant près d’un siècle.
Comme pour les piles précédentes, la pile saline contient deux électrodes solides en matériaux différents en contact avec un électrolyte qui cette fois n’est pas liquide.
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
Electrode en graphite associée à de l’oxyde de manganèse contenu dans le gel
Electrode en zinc
Electrolyte en gel :
Chlorure de zinc (II)
Chlorure d’ammonium
Fond métallique (borne négative)
Capsule métallique
(borne positive)
Enveloppe
Schéma simplifié d’une pile saline
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
3) La pile alcaline
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
Pendant la seconde guerre mondiale, deux américains, S. Ruben et P.R. Mallory, construisent la pile dite « au mercure » .
Le mercure s’avère trop cher pour permettre une production en quantité industrielle. C’est pourquoi, dans les années cinquante, Ruben reprend les constituants de la pile saline de Leclanché en changeant l’électrolyte et la façon d’assembler les différents éléments.
Sa forme est aussi celle d’un cylindre, elle fournit alors 1,5 V mais on peut aussi lui donner la forme d’un parallélépipède et fournit 9 V.
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
Schéma simplifié d’une pile alcalineElectrolyte ( hydroxyde de potassium)
Électrode formée d’un clou en acier en contact avec de la poudre de zinc baignant dans
l’électrolyte
Électrode formée d’une boîte en acier en contact avec la poudre de graphite et le dioxyde de manganèse baignant dans l’électrolyte
Enveloppe
Capsule métallique (borne positive)
Fond métallique (borne négative)
Piles et ions : De Volta à la pile alcaline
FIN
