Batterie au citron - Lemon battery

Un dessin montrant trois citrons et un objet rouge brillant (la LED). La LED a deux lignes sortant de sa partie inférieure pour représenter ses fils électriques. Chaque citron a deux morceaux de métal coincés dedans; les métaux sont colorés différemment. Il y a de fines lignes noires, représentant des fils, reliant les pièces métalliques coincées dans chaque citron et les fils de la LED.
Schéma montrant trois piles citron câblées ensemble de manière à alimenter la diode électroluminescente (DEL) rouge située en haut. Chaque citron individuel a une électrode de zinc et une électrode de cuivre insérée à l'intérieur ; le zinc est coloré en gris sur le schéma. Les lignes fines tracées entre les électrodes et la LED représentent les fils.

Une pile au citron est une pile simple souvent fabriquée à des fins éducatives. En règle générale, un morceau de zinc (comme un clou galvanisé ) et un morceau de cuivre (comme un sou) sont insérés dans un citron et reliés par des fils. La puissance générée par la réaction des métaux est utilisée pour alimenter un petit appareil tel qu'une diode électroluminescente (DEL).

La pile au citron est similaire à la première pile électrique inventée en 1800 par Alessandro Volta , qui utilisait de la saumure (eau salée) à la place du jus de citron. La pile au citron illustre le type de réaction chimique ( oxydo-réduction ) qui se produit dans les piles. Le zinc et le cuivre s'appellent les électrodes , et le jus à l'intérieur du citron s'appelle l' électrolyte . Il existe de nombreuses variantes de la cellule de citron qui utilisent différents fruits (ou liquides) comme électrolytes et des métaux autres que le zinc et le cuivre comme électrodes.

Utilisation dans les projets scolaires

Il existe de nombreux ensembles d'instructions pour fabriquer des piles au citron et pour obtenir des composants tels que des diodes électroluminescentes (DEL), des compteurs électriques ( multimètres ) et des clous et vis zingués ( galvanisés ). Les kits scientifiques commerciaux « horloge de pommes de terre » comprennent des électrodes et une horloge numérique à basse tension. Une fois qu'une cellule est assemblée, un multimètre peut être utilisé pour mesurer la tension ou le courant électrique de la cellule voltaïque ; une tension typique est de 0,9 V avec des citrons. Les courants sont plus variables, mais vont jusqu'à environ 1 mA (plus les surfaces des électrodes sont grandes, plus le courant est important). Pour un effet plus visible, les cellules citron peuvent être connectées en série pour alimenter une LED (voir illustration) ou d'autres appareils. La connexion en série augmente la tension disponible pour les appareils. Swartling et Morgan ont publié une liste d'appareils basse tension ainsi que le nombre correspondant de cellules citron nécessaires pour les alimenter ; ils comprenaient des LED, des buzzers piézoélectriques et de petites horloges numériques. Avec les électrodes zinc/cuivre, au moins deux piles citron étaient nécessaires pour chacun de ces appareils. La substitution d'une électrode de magnésium à l'électrode de zinc crée une cellule avec une tension plus élevée (1,5-1,6 V), et une seule cellule magnésium/cuivre alimentera certains appareils. Notez que les ampoules à incandescence des lampes de poche ne sont pas utilisées car la pile au citron n'est pas conçue pour produire suffisamment de courant électrique pour les allumer. En multipliant le courant moyen d'un citron (0,001A/1mA) par la tension moyenne (la plus basse) (différence de potentiel) d'un citron (0,7V), nous pouvons conclure qu'il faudrait plus de 6 millions de citrons pour nous donner la puissance de une batterie de voiture moyenne de 4320W.

Variantes

Photographie d'une pomme de terre. Un fil de cuivre est coincé dans la pomme de terre et un fil conducteur isolé est connecté au sommet à l'aide d'un écrou et d'une vis. Une vis mécanique galvanisée est également aspirée dans le visage. Il y a un écrou qui est à côté de la tête de vis ; le deuxième fil conducteur est écrasé entre la tête et l'écrou. Un symbole "+" est marqué sur la peau de la pomme de terre près du fil de cuivre qui y est coincé.
Pile de pommes de terre avec électrodes en zinc (à gauche) et en cuivre. L'électrode de zinc est une vis mécanique galvanisée . L'électrode de cuivre est un fil. Notez les étiquettes − et + marquées sur la pomme de terre indiquant que l'électrode de cuivre est la borne positive de la batterie. Une vis et un écrou courts relient les électrodes aux fils de cuivre qui ont des revêtements en plastique isolant noir et rouge.

De nombreux fruits et liquides peuvent être utilisés pour l'électrolyte acide. Les fruits sont pratiques, car ils fournissent à la fois l'électrolyte et un moyen simple de soutenir les électrodes. L'acide impliqué dans les agrumes (citrons, oranges, pamplemousses, etc.) est l'acide citrique . L'acidité, qui est indiquée par le pH mesuré , varie considérablement.

Les pommes de terre contiennent de l'acide phosphorique et fonctionnent bien; ils sont à la base des kits commerciaux « horloge de pommes de terre ». Des piles de pommes de terre avec éclairage LED ont été proposées pour une utilisation dans les pays pauvres ou par les populations hors réseau. Des recherches internationales commencées en 2010 ont montré que faire bouillir des pommes de terre pendant huit minutes améliore leur production électrique, tout comme le fait de placer des tranches de pommes de terre entre plusieurs plaques de cuivre et de zinc. Selon des chercheurs sri-lankais, la moelle de plantain bouillie et hachée (tige) convient également.

Au lieu de fruits, des liquides dans divers récipients peuvent être utilisés. Le vinaigre ménager ( acide acétique ) fonctionne bien. La choucroute ( acide lactique ) a été présentée dans un épisode de l'émission télévisée américaine Head Rush (une émanation du programme MythBusters ). La choucroute avait été mise en conserve, et est devenue l'électrolyte tandis que la boîte elle-même était l'une des électrodes.

Les électrodes de zinc et de cuivre sont raisonnablement sûres et faciles à obtenir. D'autres métaux tels que le plomb, le fer, le magnésium, etc., peuvent également être étudiés ; ils donnent des tensions différentes de celles du couple zinc/cuivre. En particulier, les cellules magnésium/cuivre peuvent générer des tensions pouvant atteindre 1,6 V dans les cellules citron. Cette tension est supérieure à celle pouvant être obtenue en utilisant des piles zinc/cuivre. Elle est comparable à celle des batteries domestiques standard (1,5 V), ce qui est utile pour alimenter des appareils avec une seule cellule au lieu d'utiliser des cellules en série.

Résultats d'apprentissage

Pour les plus jeunes, âgés de 5 à 9 ans environ, la finalité pédagogique est utilitaire : les batteries sont des appareils qui peuvent alimenter d'autres appareils, pourvu qu'elles soient reliées par un matériau conducteur. Les batteries sont des composants des circuits électriques ; accrocher un seul fil entre une batterie et une ampoule n'alimentera pas l'ampoule.

Pour les enfants de 10 à 13 ans, les piles sont utilisées pour illustrer le lien entre la chimie et l'électricité ainsi que pour approfondir le concept de circuit électrique. Le fait que différents éléments chimiques tels que le cuivre et le zinc soient utilisés peut être placé dans le contexte plus large du fait que les éléments ne disparaissent pas ou ne se décomposent pas lorsqu'ils subissent des réactions chimiques.

Pour les grands comme pour les collégiens, les piles servent à illustrer les principes des réactions d'oxydoréduction. Les élèves peuvent découvrir que deux électrodes identiques ne produisent aucune tension et que différentes paires de métaux (au-delà du cuivre et du zinc) produisent des tensions différentes. Les tensions et courants des combinaisons série et parallèle des batteries peuvent être examinés.

Le courant produit par la batterie à travers un compteur dépendra de la taille des électrodes, de la distance à laquelle les électrodes sont insérées dans le fruit et de la proximité les unes des autres entre les électrodes ; la tension est assez indépendante de ces détails des électrodes.

Chimie

Dessin en coupe d'une tasse. La tasse est presque pleine, apparemment avec de l'eau. Deux formes rectangulaires indiquent une pièce de cuivre et une pièce de zinc, chacune étant en grande partie immergée dans l'eau. L'eau a environ une douzaine de symboles dans différentes positions : Zn2+, H+ et SO42−. Il y a un cercle au-dessus de l'eau avec le symbole H2 à l'intérieur. Il y a un fil reliant les pièces de zinc et de cuivre à l'extérieur de l'eau ; 2 électrons (e-) sont représentés le long du fil avec des flèches pointant du zinc vers le cuivre.
Coupe transversale d'une cellule cuivre/zinc avec un électrolyte d'acide sulfurique. Le dessin illustre le modèle atomique des réactions chimiques ; les cellules de citron ont essentiellement le même modèle. Les atomes de zinc pénètrent dans l'électrolyte sous forme d'ions auxquels manquent deux électrons (Zn 2+ ). Deux électrons chargés négativement de l'atome de zinc dissous sont laissés dans le zinc métallique. Deux des protons dissous (H + ) dans l'électrolyte acide se combinent entre eux et deux électrons pour former de l'hydrogène moléculaire H 2 , qui bouillonne de l'électrode de cuivre. Les électrons perdus du cuivre sont constitués en déplaçant deux électrons du zinc à travers le fil externe.

La plupart des manuels présentent le modèle suivant pour les réactions chimiques d'une pile au citron. Lorsque la cellule fournit un courant électrique à travers un circuit externe, le zinc métallique à la surface de l'électrode de zinc se dissout dans la solution. Les atomes de zinc se dissolvent dans l'électrolyte liquide sous forme d' ions chargés électriquement (Zn 2+ ), laissant 2 électrons chargés négativement (e − ) dans le métal :

Zn → Zn 2+ + 2e − .

Cette réaction est appelée oxydation . Pendant que le zinc pénètre dans l'électrolyte, deux ions hydrogène chargés positivement (H + ) provenant de l'électrolyte se combinent avec deux électrons à la surface de l'électrode de cuivre et forment une molécule d'hydrogène non chargée (H 2 ):

2H + + 2e − → H 2 .

Cette réaction est appelée réduction. Les électrons utilisés dans le cuivre pour former les molécules d'hydrogène sont transférés du zinc à travers un fil externe reliant le cuivre et le zinc. Les molécules d'hydrogène formées à la surface du cuivre par la réaction de réduction finissent par bouillonner sous forme d'hydrogène gazeux.

Résultats de l'expérience

Ce modèle des réactions chimiques fait plusieurs prédictions qui ont été examinées dans des expériences publiées par Jerry Goodisman en 2001. Goodisman note que de nombreux auteurs récents proposent des réactions chimiques pour la pile au citron qui impliquent la dissolution de l'électrode de cuivre dans l'électrolyte. Goodisman exclut cette réaction comme étant incompatible avec les expériences et note que la chimie correcte, qui implique l'évolution de l'hydrogène à l'électrode de cuivre mais peut également utiliser de l'argent au lieu du cuivre, est connue depuis de nombreuses années. La plupart des prédictions détaillées du modèle s'appliquent à la tension de la batterie qui est mesurée directement par un compteur ; rien d'autre n'est connecté à la batterie. Lorsque l'électrolyte a été modifié en ajoutant du sulfate de zinc (ZnSO 4 ), la tension de la cellule a été réduite comme prévu en utilisant l' équation de Nernst pour le modèle. L'équation de Nernst indique essentiellement de combien la tension chute à mesure que davantage de sulfate de zinc est ajouté. L'ajout de sulfate de cuivre (CuSO 4 ) n'a pas affecté la tension. Ce résultat est cohérent avec le fait que les atomes de cuivre de l'électrode ne sont pas impliqués dans le modèle de réaction chimique de la cellule.

Lorsque la batterie est connectée à un circuit externe et qu'un courant électrique important circule, l'électrode de zinc perd de la masse, comme le prédit la réaction d'oxydation du zinc ci-dessus. De même, l'hydrogène gazeux se dégage sous forme de bulles à partir de l'électrode de cuivre. Enfin, la tension de la cellule dépend de l'acidité de l'électrolyte, mesurée par son pH ; la diminution de l'acidité (et l'augmentation du pH) fait chuter la tension. Cet effet est également prédit par l'équation de Nernst ; l'acide particulier qui a été utilisé (citrique, chlorhydrique, sulfurique, etc.) n'affecte la tension que par la valeur du pH.

La prédiction de l'équation de Nernst a échoué pour les électrolytes fortement acides (pH < 3,4), lorsque l'électrode de zinc se dissout dans l'électrolyte même lorsque la batterie ne fournit aucun courant à un circuit. Les deux réactions d'oxydoréduction énumérées ci-dessus ne se produisent que lorsque la charge électrique peut être transportée à travers le circuit externe. La réaction supplémentaire en circuit ouvert peut être observée par la formation de bulles au niveau de l'électrode de zinc en circuit ouvert. Cet effet a finalement limité la tension des cellules à 1,0 V près de la température ambiante aux niveaux d'acidité les plus élevés.

Source d'énergie

L'énergie provient de la transformation chimique du zinc lorsqu'il se dissout dans l'acide. L'énergie ne vient pas du citron ou de la pomme de terre. Le zinc est oxydé à l'intérieur du citron, échangeant une partie de ses électrons avec l'acide afin d'atteindre un état énergétique inférieur, et l'énergie libérée fournit la puissance.

Dans la pratique actuelle, le zinc est produit par électroextraction du sulfate de zinc ou par réduction pyrométallurgique du zinc avec du carbone, ce qui nécessite un apport énergétique. L'énergie produite dans la pile au citron provient de l'inversion de cette réaction, en récupérant une partie de l'apport énergétique lors de la production de zinc.

Cellule Smee

De 1840 à la fin du XIXe siècle, de grandes piles voltaïques utilisant une électrode de zinc et un électrolyte d'acide sulfurique étaient largement utilisées dans l'industrie de l'imprimerie. Alors que des électrodes de cuivre comme celles des piles au citron étaient parfois utilisées, Alfred Smee a inventé en 1840 une version raffinée de cette cellule qui utilisait de l'argent avec un revêtement de platine rugueux au lieu d'une électrode de cuivre. L'hydrogène gazeux accroché à la surface d'une électrode en argent ou en cuivre réduit le courant électrique qui peut être tiré d'une cellule ; le phénomène est appelé « polarisation ». La surface rugueuse et "platinée" accélère le bouillonnement de l'hydrogène gazeux et augmente le courant de la cellule. Contrairement à l'électrode de zinc, les électrodes de cuivre ou d'argent platiné ne sont pas consommées en utilisant la batterie, et les détails de cette électrode n'affectent pas la tension de la cellule. La cellule Smee était pratique pour l' électrotypage , qui produisait des plaques de cuivre pour l'impression typographique de journaux et de livres, ainsi que des statues et autres objets métalliques.

La cellule Smee utilisait du zinc amalgamé au lieu du zinc pur ; la surface du zinc amalgamé a été traitée au mercure . Apparemment, le zinc amalgamé était moins sujet à la dégradation par une solution acide que le zinc pur. Les électrodes de zinc amalgamé et de zinc ordinaire donnent essentiellement la même tension lorsque le zinc est pur. Avec le zinc imparfaitement raffiné dans les laboratoires du 19ème siècle, ils donnaient généralement des tensions différentes.

Dans la culture populaire

  • Dans le jeu vidéo Portal 2 , l'antagoniste GLaDOS a été intégré dans un ordinateur fonctionnant sur batterie de pommes de terre pendant une partie importante du jeu.
  • Dans l' épisode de la saison 6 de The Big Bang Theory "The Proton Resurgence", le héros d'enfance de Leonard et Sheldon, le professeur Proton (Bob Newhart), tente de montrer au groupe une batterie de pommes de terre, ce qui étonne Penny.
  • Dans l' épisode de la saison 6 de Bones "The Blackout in the Blizzard", Angela et les autres "squints" construisent une énorme batterie de pommes de terre pour tenter d'alimenter un téléphone portable. Illustrant le rendement pathétiquement faible d'un tel système, il ne réussit que quelques secondes avec l'utilisation de dizaines de pommes de terre.
  • Dans l'épisode " Citrons " de l'émission télévisée Red Dwarf ( dixième série (Série X) ), l'équipage parcourt 4 000 miles de la Grande-Bretagne à l' Inde en 23 après JC afin d'obtenir des citrons pour construire une batterie au citron pour alimenter leur machine à remonter le temps ' télécommande de retour de s.
  • Dans le sixième épisode de la dernière saison de Mystery Science Theatre 3000 , le méchant principal Pearl Forrester a essayé de conquérir le monde en utilisant des piles de pommes de terre, mais ses plans ont été ruinés par le professeur Bobo .
  • Dans l' épisode 8 de la saison 7 de NCIS , "Power Down", Abby Sciuto utilise des citrons comme source d'alimentation pour sa chaîne stéréo lorsqu'elle est à court de piles lors d'une panne de courant.
  • Dans Magnum PI (2018 TV Series) , Saison 3, épisode 2, "Easy Money", Magnum utilise une batterie au citron pour charger un talkie-walkie.
  • Dans Terry Pratchett et Stephen Baxter de The Long Terre , les dispositifs utilisés pour passer d'un univers à l' autre semblent être alimenté par des batteries de pommes de terre.
  • Dans Anne avec un épisode 10 de la saison 2 E , "Le bien grandissant du monde", Anne et ses camarades de classe utilisent des piles de pommes de terre pour prouver à leur ville tout ce qu'ils ont appris des méthodes d'enseignement non conventionnelles de leur nouvel enseignant.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • "Maglab - Tutoriel sur les cellules électriques simples" . Laboratoire national des champs magnétiques élevés des États-Unis . Récupéré le 30/11/2012 .Description d'une cellule d'acide avec des électrodes de zinc et de cuivre, incluant une animation basée sur JAVA. L'animation montre le zinc se dissolvant dans l'électrolyte, les électrons s'écoulant du zinc vers les électrodes de cuivre et de petites bulles d'hydrogène sortant de l'électrode de cuivre. L'animation suggère également qu'une seule cellule peut allumer une LED, ce qui n'est pas possible pour les LED qui émettent de la lumière visible.
  • Margles, Samantha (2011). « Est-ce qu'une batterie au citron fonctionne vraiment ? » . Livre de l'expo-sciences À bas les mythes . Scolaire. p. 104–108. ISBN 9780545237451. Récupéré le 07/10/2012 . Aperçu en ligne uniquement.

Liens externes