Une cellule galvanique (ou pile galvanique) est un type de cellule électrochimique qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction redox spontanée. Ce dispositif est composé de deux électrodes de métaux différents, immergées dans des solutions électrolytiques distinctes et reliées par un pont salin ou un disque poreux, permettant le flux d'ions et le maintien de l'équilibre de charge. Son nom rend hommage à Luigi Galvani, dont les expériences avec l’électricité et les tissus biologiques ont été fondamentales pour le développement de l’électrochimie.
Le terme « pile voltaïque » est parfois utilisé de manière interchangeable. Cependant, la pile voltaïque est un type de cellule galvanique. Il a été conçu par Alessandro Volta et constitue un dispositif précurseur basé sur le même principe électrochimique. Son invention a représenté une avancée majeure en fournissant la première source de courant électrique continu.
Les parties d'une pile galvanique
Avant d'expliquer comment fonctionne une cellule galvanique, nous devons connaître un peu ses composants :
Voici une description détaillée de chaque partie d'une pile galvanique :
Anode
L'anode est l'électrode où se produit l'oxydation, c'est-à-dire la perte d'électrons.
Dans une pile galvanique, l'anode agit comme pôle négatif, car les électrons en sont libérés et voyagent à travers le circuit externe jusqu'à la cathode. En règle générale, l'anode est constituée d'un métal plus réactif qui a tendance à perdre facilement des électrons, comme le zinc dans la cellule Daniell.
Au fur et à mesure que la réaction se déroule, les atomes de l’anode se dissolvent dans la solution sous forme d’ions.
Cathode
La cathode est l'électrode où se produit la réduction, c'est-à-dire le gain d'électrons. C'est le pôle positif car il attire les électrons provenant de l'anode. Dans cette électrode, les ions de la solution se combinent avec les électrons arrivant par le circuit externe, formant des atomes ou des molécules neutres.
Dans le cas de la cellule Daniell, la cathode est en cuivre et les ions cuivre en solution se déposent sur sa surface en acceptant des électrons.
Électrolyte
L'électrolyte est la solution ionique dans laquelle sont immergées les électrodes et qui permet le mouvement des ions pour maintenir l'équilibre des charges dans la cellule.
Cette solution est composée de sels, d’acides ou de bases dissous qui facilitent la conduction ionique.
Dans la cellule Daniell, la solution de sulfate de zinc (
) entoure l'anode, tandis que la solution de sulfate de cuivre (
) entoure la cathode.
Pont salin ou membrane poreuse
Le pont salin est un tube ou une membrane rempli d'une solution de sels inertes, comme le chlorure de potassium (
) ou du sulfate de sodium (
), qui permet la circulation des ions entre les solutions d'électrodes. Sa fonction est d’empêcher l’accumulation de charge électrique dans chaque demi-cellule et de maintenir la neutralité électrique dans la pile. Sans le pont salin, la réaction s'arrêterait rapidement en raison de la séparation des charges.
Circuit externe
C'est le chemin conducteur par lequel les électrons se déplacent de l'anode à la cathode. Ce circuit peut être composé de câbles métalliques et d'éléments tels que des résistances, des ampoules ou des moteurs qui utilisent l'énergie électrique générée. Dans ce chemin, le courant circule dans le sens inverse du flux des électrons, de la cathode vers l'anode, selon la convention du courant électrique.
Comment fonctionne une pile galvanique ?
Une cellule galvanique fonctionne par une réaction d'oxydoréduction (redox) qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique.
Cette cellule est constituée de deux électrodes, l' anode et la cathode , immergées dans des solutions électrolytiques. À l'anode, l'oxydation se produit , où un métal perd des électrons et se dissout dans l'électrolyte sous forme d'ions . Ces électrons circulent à travers un circuit externe jusqu'à la cathode, où se produit la réduction , c'est-à-dire que les électrons sont capturés par les ions métalliques de l'électrolyte, les transformant en atomes du métal correspondant.
Le flux d’électrons à travers le circuit externe est ce qui génère un courant électrique, qui peut être utilisé pour alimenter des appareils. Pour que le circuit interne de la cellule soit complet, les ions se déplacent entre les deux électrodes à travers un pont salin ou septum poreux , permettant de maintenir l'équilibre de charge dans les solutions.
Ainsi, l’énergie chimique stockée dans les électrodes est continuellement convertie en énergie électrique tant que la réaction redox dure et qu’il y a des matériaux disponibles pour réagir.
Relation avec l'électrolyse
Le processus inverse d'une cellule galvanique est l'électrolyse, où un courant externe force une réaction non spontanée. Dans les deux cas, le flux d'électrons se produit à travers le circuit externe, tandis que les ions positifs circulent dans l'électrolyte, complétant ainsi le circuit électrique.
En résumé, dans une cellule galvanique, les électrons se déplacent de l'anode (où l'oxydation se produit) à la cathode (où la réduction se produit), générant un courant électrique à partir d'une réaction chimique d'oxydoréduction (redox). Ce principe est à la base du fonctionnement des batteries utilisées dans de nombreux appareils électroniques.
La pile voltaïque
La cellule voltaïque est un type spécifique de cellule galvanique, inventée par Alessandro Volta, qui utilise le même principe de conversion de l'énergie chimique en énergie électrique, mais avec une structure définie. Au lieu d’utiliser un seul électrolyte, la cellule voltaïque utilise deux métaux différents, tels que le zinc et le cuivre, immergés dans des solutions électrolytiques séparées.
Le flux d'électrons entre les deux électrodes, à travers un conducteur externe, génère un courant électrique constant.
La principale différence entre la cellule voltaïque et les autres cellules galvaniques réside dans sa conception et sa capacité à générer une source stable d’énergie électrique. La pile voltaïque a été la première à fournir une source continue d’électricité, permettant des avancées dans la technologie électrique et les premières recherches sur les batteries.
Types de cellules galvaniques
On distingue trois types de cellules galvaniques :
Cellule de concentration
Une cellule de concentration est une cellule primaire (non rechargeable) qui utilise deux demi-cellules galvaniques avec la même espèce chimique mais avec des concentrations différentes.
Par exemple, une telle pile peut être constituée de deux électrodes de cuivre immergées dans deux solutions contenant du sulfate de cuivre (
). Les deux solutions ont des concentrations différentes et les électrodes sont séparées par une cloison poreuse ou un pont salin.
La batterie se décharge lorsque la concentration d'électrolyte dans les deux demi-cellules est la même.
Cellule électrolytique
Une cellule électrolytique est constituée de deux électrodes immergées dans un réservoir contenant un électrolyte. Généralement, l'électrolyte est constitué de deux solutions électrolytiques qui peuvent échanger des ions via un pont salin ou un septum poreux.
Une réaction d’oxydation se produit à l’anode. D'autre part, une réaction de réduction se produit à la cathode. Le résultat est qu’une réaction redox se produit dans la cellule qui utilise de l’énergie électrique externe pour la produire.
Les signes des pôles sont inversés par rapport à une pile galvanique. Dans une cellule électrolytique, l'anode est le pôle positif, tandis que la cathode est le pôle négatif.
Cellule électrochimique
Les batteries électrochimiques sont composées de deux demi-éléments, également appelés demi-cellules.
Ces semi-éléments sont maintenus séparés par une membrane semi-perméable ou sont contenus dans des conteneurs séparés reliés par un pont salin. Lorsque des semi-éléments se connectent, l’un d’eux libère des électrons par la réaction d’oxydation. À leur tour, ces électrons sont transférés à l’autre pour donner lieu à la réaction de réduction.