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Nous décrivons les aspects techniques des piles électriques (réactions chimiques). Nous nous basons sur les piles salines (Zinc-carbone).
Nous décrivons également le principe de la protection galvanique de constructions métalliques. le but est de protéger ces structures de la corrosion. |
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Un peu de chimieTous les éléments tendent vers une configuration stable, c'est-à-dire une couche externe saturée (avec par exemple 8 électrons) ou vide. Les éléments possédant naturellement 8 électrons sur leur couche externe ne réagissent plus (par exemple l'hélium ou le néon); ils sont saturés. Les éléments qui ont un électron en moins cherchent à en capter un d'un autre élément.Le sodium (métal) possède un électron en excès et le chlore un électron en moins sur leur couche externe. Si l'on met ces deux éléments ensemble, il se forme du NaCl, ou sel de table (avec une réaction explosive, car la réaction est très violente). Le sodium a cédé son électron (chargé négativement) au chlore et a ainsi acquis une charge positive, tandis que le chlore a acquis une charge négative. Un composé de sodium et de chlore se forme et les charges électriques différentes assurent la cohésion des éléments. Normalement la charge électrique des électrons est compensée par celle des protons dans le nucléus de l'atome, mais ici un électron s'est déplacé tandis que le proton reste coincé dans le cœur de l'élément, ce qui produit une charge différente dans le sodium et le chlore. Grâce à la forte liaison ionique, le sel de table est très stable et réagit peu avec d'autres substances. En solution, les éléments se séparent, mais la charge électrique demeure. On trouve alors des ions sodium chargés positivement et des ions chlorure chargés négativement. Du fait de leur configuration stable (8 électrons ou aucun électron), ces éléments sont peu réactifs, mais ils peuvent conduire l'électricité (mouvement d'électrons). Ces solutions sont des électrolytes: elles contiennent des ions.
Fonctionnement d'une pile
Grâce à la conductivité de l'électrolyte, le circuit électrique est fermé. Du dihydrogène est produit à la cathode (côté cuivre). Il serait fastidieux d'expliquer précisément comment le dihydrogène se forme, mais il est important de noter que du dihydrogène est produit à la cathode si l'électrolyte est aqueux. Dans une pile classique, le cuivre est remplacé par du carbone, ce qui permet de fournir une tension plus élevée (le carbone étant moins électropositif que le cuivre). Le fonctionnement de la pile reste cependant identique. Les termes «électropositif» et «électronégatif» sont souvent utilisés conjointement: un métal est électropositif et les métaux nobles sont moins électropositifs (ou plus électronégatifs). Afin d'éviter toute confusion, on privilégie aujourd'hui le terme «électronégatif»: le zinc est donc moins électronégatif. Le dihydrogène présente l'inconvénient d'être non conducteur, ce qui augmente la résistance interne de la pile. Après quelques minutes, le courant ne circule pratiquement plus dans la pile. Si l'hydrogène peut s'échapper, le courant recommence à circuler. Pour éviter cela, la borne positive de la pile est entourée d'un dépolarisant qui absorbe l'hydrogène. Dans une pile classique, il s'agit de dioxyde de manganèse mélangé à de la poudre de carbone. Vous trouverez plus d'informations sur la page consacrée aux piles: nous y abordons les piles zinc-carbone (les piles classiques), mais aussi les piles alcalines (qui sont en réalité des piles zinc-carbone améliorées).
La recharge des pilesPresque tous les processus physiques et de nombreux processus chimiques sont réversibles. Une pile peut donc être rechargée. Si une tension négative suffisamment élevée est appliquée à l'électrode de zinc, ce dernier est contraint de réabsorber ses électrons. L'ion zinc redevient métallique et quitte la solution.L'idéal serait que le zinc forme une couche uniforme sur l'électrode, mais malheureusement, cela ne se produit pas. Des dendrites (semblables à des stalagmites) se forment, qui finissent par créer un pont entre les deux électrodes et provoquer un court-circuit. Le zinc est donc difficile à utiliser dans les piles rechargeables. Cependant, on peut le remplacer par du nickel et du fer, le fer servant d'anode et le nickel de cathode. On obtient ainsi des piles rechargeables nickel-fer (voir image à gauche). Par la suite, le fer a été remplacé par un alliage de différents métaux afin d'obtenir de meilleures performances (piles NiMH). Cependant, le fer étant moins électropositif que le zinc, la tension aux bornes est inférieure à celle obtenue avec une anode en zinc: 1,2V au lieu de 1,5V (ce qui constitue le principal inconvénient de ces batteries rechargeables). Pour pallier cet inconvénient, des recherches sont toujours en cours sur les batteries nickel-zinc. Celles-ci présentent néanmoins l’inconvénient d’un dépôt de zinc inconsistant sur l’électrode. De ce fait, la batterie peut se court-circuiter: leur fiabilité est donc très faible.
Protection galvanique par une électrode en zincNous avons donc constaté que, dans un électrolyte, si deux métaux différents sont en contact, le métal le plus électropositif se corrodera. Ce phénomène est important pour les installations en acier, telles que les bâtiments et machines industrielles, les installations portuaires, les navires, etc. Le zinc est un métal très électropositif, raison pour laquelle il est également utilisé dans les piles, associé à un matériau électronégatif (une tige de graphite). Lorsque la batterie fournit du courant, le zinc est consommé (il se dissout). Dans la protection galvanique, un bloc de zinc est sacrifié pour protéger une structure en acier contre la corrosion. Ce bloc de zinc constitue l'anode et l'acier la cathode. Pour les grandes structures, comme les navires et les pipelines, plusieurs blocs de zinc sont utilisés. Le zinc se corrode progressivement et l'électrode doit être remplacée lorsqu'il n'en reste plus que 10%. Les images de droite illustrent la dissolution de l'électrode de zinc. Cette électrode est parfois appelée bloc sacrificiel. L'anode en zinc doit assurer un bon contact électrique avec la coque du navire à protéger, sans contact il n'y aurait aucune protection. La protection cathodique (protection de l'acier) est utilisée sur les navires pour protéger la coque en acier, mais à terre les canalisations, les réservoirs et autres structures doivent également être protégés. Les installations en cuivre doivent être protégées par une électrode en fer (le fer étant moins cher que le zinc). Si le zinc doit être protégé, un métal encore plus électropositif doit être utilisé, comme l'aluminium ou même le magnésium. Ces métaux sont également utilisés lorsque la conductivité électrique est faible (eau purifiée, sol sec, etc.). La protection cathodique des navires est importante à proximité des hélices en bronze ou en laiton. Ces métaux sont moins électropositifs que l'acier et provoquent donc sa corrosion. L'acier sert alors d'électrode protectrice pour le bronze, ce qui est évidemment indésirable: plusieurs électrodes en zinc doivent être placées près des hélices pour prévenir la corrosion de la coque en acier du navire. On parle de
Plus d'informations sur la protection galvanique et cathodique des navires sont disponibles sur le site de la Marine nationale belge: protection cathodique des navires |
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