Comment fonctionne une batterie ?

L’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais elle peut être sauvegardée sous différentes formes. Une façon de la stocker est sous forme d’énergie chimique dans une pile. Lorsqu’elle est connectée dans un circuit, une batterie peut produire de l’électricité.

Une pile a deux extrémités — une borne positive (cathode) et une borne négative (anode). Si vous connectez les deux bornes avec un fil, un circuit est formé. Les électrons vont circuler dans le fil et un courant électrique est produit. À l’intérieur de la pile, une réaction entre des produits chimiques a lieu. Mais la réaction n’a lieu que s’il y a un flux d’électrons. Les piles peuvent être stockées pendant une longue période et continuer à fonctionner car le processus chimique ne commence pas tant que les électrons ne circulent pas de la borne négative à la borne positive à travers un circuit.

Une réaction chimique a lieu dans une pile

Un exemple simple — La pile au citron

Débutons avec une pile très simple qui utilise un citron dans lequel sont insérés deux objets métalliques différents, par exemple un clou galvanisé et une pièce ou un fil de cuivre. Le cuivre sert d’électrode positive ou de cathode et le clou galvanisé (recouvert de zinc) d’électrode négative ou d’anode productrice d’électrons. Ces deux objets fonctionnent comme des électrodes, provoquant une réaction électrochimique qui génère une petite différence de potentiel.

Comme les atomes de cuivre (Cu) attirent davantage les électrons que les atomes de zinc (Zn), si vous placez un morceau de cuivre et un morceau de zinc en contact l’un avec l’autre, les électrons passeront du zinc au cuivre. Comme les électrons se concentrent sur le cuivre, ils vont se repousser mutuellement et arrêter le flux d’électrons du zinc vers le cuivre. En revanche, si vous mettez des bandes de zinc et de cuivre dans une solution conductrice, et que vous les connectez extérieurement avec un fil, les réactions entre les électrodes et la solution permettront aux électrons de circuler en continu dans le fil.

Dans une batterie au citron, il y a à la fois oxydation (perte d’électrons) et réduction (gain d’électrons). Cette batterie est similaire aux « piles voltaïques simples » originales inventées par Alessandro Volta (voir ci-dessous). À l’anode, le zinc métallique est oxydé, et entre dans la solution acide sous forme d’ions Zn2+ :

Zn –> Zn2 + + 2 e-

À la cathode en cuivre, les ions hydrogène (protons solvatés de la solution acide du citron) sont réduits pour former de l’hydrogène moléculaire :

2H++ 2e- –> H2

Qu’est-ce qui fait bouger les électrons ?

Lorsque vous lâchez une balle que vous tenez, elle tombe au sol car le champ gravitationnel de la Terre attire la balle vers le bas. De la même manière, les particules chargées comme les électrons doivent fournir un travail pour se déplacer d’un point à un autre. La quantité de travail par unité de charge est appelée la différence de potentiel électrique entre les deux points. L’unité de différence de potentiel s’appelle le volt.

La différence de potentiel entre la cathode et l’anode s’établit à partir de la réaction chimique. A l’intérieur de la pile, les électrons sont poussés par la réaction chimique vers l’extrémité positive, créant une différence de potentiel.

C’est cette différence de potentiel qui entraîne les électrons dans le fil.

La différence de potentiel peut être positive ou négative, assimilée à l’énergie gravitationnelle, qui monte ou descend une colline. Dans une batterie, le flux d’électrons est descendant… les électrons peuvent circuler en amont comme dans le cas d’un chargeur de batterie.

Pourquoi les électrons ne se déplacent-ils pas simplement de l’anode à la cathode à l’intérieur de la batterie ?

L’électrolyte de la batterie empêche les électrons solitaires d’aller directement de l’anode à la cathode à l’intérieur de la batterie. Lorsque les bornes sont connectées avec un fil conducteur, les électrons peuvent facilement circuler de l’anode à la cathode.

Dans quel sens les électrons se déplacent-ils dans le fil ?

Les électrons sont chargés négativement, ils seront donc attirés par l’extrémité positive d’une batterie et repoussés par l’extrémité négative. Lorsque la pile est branchée à un appareil qui laisse passer les électrons, ceux-ci circulent de la borne négative (anode) à la borne positive (cathode).

Qui a inventé la pile électrochimique (batterie) ?

Comment fonctionne une pile moderne (pile zinc-carbone) ?

Une pile sèche ou batterie zinc-carbone est conditionnée dans une boîte en zinc qui sert à la fois de contenant et de borne négative (anode). La borne positive est une tige de carbone entourée d’un mélange de dioxyde de manganèse et de poudre de carbone. L’électrolyte utilisé est une pâte de chlorure de zinc et de chlorure d’ammonium dissoute dans l’eau. La tige de carbone (graphite) est ce qui collecte les électrons provenant de la partie anode de la pile pour les renvoyer vers la partie cathode de la pile. Le carbone est le seul matériau conducteur pratique car tout métal commun se corrode rapidement dans l’électrode positive dans un électrolyte à base de sel. Le zinc est oxydé selon la demi-équation suivante . Zn(s) –> Zn2+(aq) + 2 e- Le dioxyde de manganèse est mélangé à de la poudre de carbone pour augmenter la conductivité électrique. La réaction est la suivante : 2MnO2(s) + 2 e- + 2NH4Cl(aq)–> Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O(aq) + 2 Cl- et le CL se combine avec le Zn2+. Dans cette demi-réaction, le manganèse est réduit d’un état d’oxydation de (+4) à (+3). Il existe d’autres réactions secondaires possibles, mais la réaction globale dans une pile zinc-carbone peut être représentée comme suit : Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(aq) —> Mn2O3(s) + Zn(NH3)2Cl2 (aq) + H2O(l) La pile a une e.m.f. d’environ 1,5 V.

Quels sont les différents types de piles ?

Les différents types de piles utilisent différents types de produits chimiques et de réactions chimiques. Certains des types de piles les plus courants sont :

.acide