Cellule Leclanché - Leclanché cell
La pile Leclanché est une batterie inventée et brevetée par le scientifique français Georges Leclanché en 1866. La batterie contenait une solution conductrice ( électrolyte ) de chlorure d'ammonium , une cathode (borne positive) de carbone , un dépolarisant de dioxyde de manganèse (oxydant), et une anode (borne négative) de zinc (réducteur). La chimie de cette cellule a ensuite été adaptée avec succès pour fabriquer une cellule sèche .
Histoire
En 1866, Georges Leclanché invente une pile composée d'une anode en zinc et d'une cathode en dioxyde de manganèse enveloppées dans un matériau poreux, trempées dans un bocal de solution de chlorure d'ammonium . La cathode en dioxyde de manganèse contenait également un peu de carbone, ce qui améliorait la conductivité et l'absorption. Il fournissait une tension de 1,4 volts. Cette cellule connut un succès très rapide dans les travaux de télégraphie, de signalisation et de sonnette électrique.
La forme de cellule sèche a été utilisée pour alimenter les premiers téléphones - généralement à partir d'une boîte en bois adjacente fixée au mur - avant que les téléphones ne puissent être alimentés par la ligne téléphonique elle-même. La cellule de Leclanché n'a pas pu fournir un courant soutenu très longtemps. Lors de longues conversations, la batterie se déchargeait, rendant la conversation inaudible. En effet, certaines réactions chimiques dans la cellule augmentent la résistance interne et, par conséquent, abaissent la tension. Ces réactions s'inversent d'elles-mêmes lorsque la batterie est inactive, elle n'est donc bonne que pour une utilisation intermittente.
Construction
La forme originale de la cellule utilisait un pot poreux. Cela lui a conféré une résistance interne relativement élevée et diverses modifications ont été apportées pour la réduire. Celles-ci comprenaient la « cellule de bloc d'agglomérat » et la « cellule de sac ». Leclanché d'abord, et Carl Gassner plus tard, se sont efforcés tous les deux de transformer la cellule humide d'origine en une cellule sèche plus portable et plus efficace .
- Cellule en pot poreux
- Dans la cellule d'origine de Leclanché, le dépolarisant (en fait, l' agent oxydant dans la cellule), qui se compose de dioxyde de manganèse broyé , est emballé dans un pot, et une tige de carbone est insérée pour servir de cathode (réaction de réduction). L'anode (réaction d'oxydation), qui est une tige de zinc, est ensuite immergée avec le pot dans une solution de chlorure d'ammonium . La solution liquide agit comme l' électrolyte , s'infiltrant à travers le pot poreux pour entrer en contact avec la cathode.
- Cellule de bloc d'aggloméré
- En 1871, Leclanché renonce au pot poreux et le remplace par une paire de "blocs agglomérés", fixés à la plaque de carbone par des élastiques. Ces blocs ont été fabriqués en mélangeant le dioxyde de manganèse avec des agents liants et en pressant le mélange dans des moules.
- Cellule de sac
- Dans cette cellule le pot poreux est remplacé par une enveloppe de toile ou un sac. De plus, la tige de zinc est remplacée par un cylindre de zinc pour donner une plus grande surface. Il a une résistance interne inférieure à l'un ou l'autre des précédents (poreux et aggloméré).
- Ajout d'amidon
- En 1876, Georges Leclanché ajoute de l' amidon à l' électrolyte de chlorure d'ammonium afin de mieux le gélifier .
- Cellule sèche améliorée
- En 1888, un médecin allemand, Carl Gassner, a amélioré le processus de gélification et a produit une cellule sèche plus portable en mélangeant du plâtre et des produits chimiques hydrophiles avec l'électrolyte de chlorure d'ammonium.
Chimie
La réaction redox dans une cellule de Leclanché fait intervenir les deux demi-réactions suivantes :
- – anode (oxydation du Zn) : Zn → Zn 2+ + 2e −
- – cathode (réduction de Mn(IV)) : 2 MnO 2 + 2NH 4 + + 2e − → 2 MnO(OH) + 2 NH 3
Le processus chimique qui produit de l'électricité dans une cellule de Leclanché commence lorsque les atomes de zinc à la surface de l'anode s'oxydent , c'est-à-dire qu'ils cèdent leurs deux électrons de valence pour devenir des ions Zn 2+ chargés positivement . Lorsque les ions Zn 2+ s'éloignent de l'anode, laissant leurs électrons à sa surface, l'anode devient plus chargée négativement que la cathode. Lorsque la cellule est connectée dans un circuit électrique externe , les électrons en excès sur l'anode en zinc traversent le circuit jusqu'au barreau de carbone , le mouvement des électrons formant un courant électrique .
Lorsque le courant circule dans le circuit, lorsque les électrons pénètrent dans la cathode (tige de carbone), ils se combinent avec le dioxyde de manganèse (MnO 2 ) et l'eau (H 2 O), qui réagissent entre eux pour produire de l' oxyde de manganèse (Mn 2 O 3 ) et des ions hydroxyde chargés négativement . Ceci s'accompagne d'une réaction acide-base secondaire dans laquelle les ions hydroxyde (OH – ) acceptent un proton (H + ) des ions ammonium présents dans l' électrolyte chlorure d'ammonium pour produire des molécules d' ammoniac et d'eau.
- Zn(s) + 2 MnO 2 (s) + 2 NH 4 Cl(aq) → ZnCl 2 (aq) + Mn 2 O 3 (s) + 2 NH 3 (aq) + H 2 O(l),
ou si l'on considère également l'hydratation du sesquioxyde de Mn 2 O 3 (s) en oxy-hydroxyde de Mn(III) :
- Zn(s) + 2 MnO 2 (s) + 2 NH 4 Cl(aq) → ZnCl 2 (aq) + 2 MnO(OH)(s) + 2 NH 3 (aq)
Alternativement, la réaction de réduction de Mn(IV) peut se poursuivre, formant de l'hydroxyde de Mn(II).
- Zn(s) + MnO 2 (s) + 2 NH 4 Cl(aq) → ZnCl 2 (aq) + Mn(OH) 2 (s) + 2 NH 3 (aq)
Les usages
La force électromotrice (fem) produite par une cellule Leclanche est de 1,4 volts , avec une résistance de plusieurs ohms lorsqu'un pot poreux est utilisé. Il a été largement utilisé dans la télégraphie , la signalisation , les cloches électriques et des applications similaires où un courant intermittent était requis et il était souhaitable qu'une batterie nécessite peu d'entretien.
La pile humide de la batterie Leclanché était le précurseur de la pile zinc-carbone moderne (une pile sèche ). L'ajout de chlorure de zinc à la pâte d'électrolyte élève la force électromotrice à 1,5 volts. Les développements ultérieurs ont complètement supprimé le chlorure d'ammonium, donnant une cellule qui peut supporter une décharge plus soutenue sans que sa résistance interne augmente aussi rapidement (la cellule au chlorure de zinc).
Voir également
- Liste des types de batteries
- Histoire de la batterie
- Pile alcaline , une pile similaire dans laquelle l' électrolyte NH 4 Cl a été remplacé par du KOH. Ce type de batterie amélioré avec une densité de charge beaucoup plus élevée (5 ×) a été commercialisé beaucoup plus tard (1960/70).
Les références
Bibliographie
- Practical Electricity de WE Ayrton et T. Mather, publié par Cassell and Company, Londres, 1911, pp 188-193