Histoire de l'électrochimie - Définition

Introduction

L'électrochimie est une discipline de la chimie qui a connu de nombreux changements au cours de son évolution depuis les premiers principes des aimants au début du XVIe siècle et du XVIIe siècle pour ensuite aboutir à des théories utilisant les notions de conductivité, des charges électriques ainsi que des méthodes mathématiques. Le terme électrochimie fut utilisé pour décrire les phénomènes électriques au XIXe siècle et au XXe siècle Au cours des dernières décennies, l'électrochimie a été un large domaine de la recherche dans lequel ont fait partie l'étude des batteries et des piles à combustible et le développement de techniques pour éviter la corrosion des métaux et améliorer les techniques de raffinage grâce à des électrolyses et les électrophorèses.

Les origines de l'électrochimie

Le XVIIe siècle marque le début de la compréhension scientifique de l'électricité et du magnétisme avec la production d'énergie électrique qui a permis la révolution industrielle au cours du XIXe siècle. Dans les années 1600, un scientifique anglais William Gilbert fit des expériences pendant 17 ans sur le magnétisme et ensuite sur l'électricité. Pour son travail sur les aimants, il devient le père du magnétisme. Son livre De Magnete devient vite une référence à travers l'Europe sur les phénomènes électriques et magnétiques. Les Européens commençaient à faire de longs voyage sur les océans et le compas magnétique fut l'un des instruments de navigation très utilisé pour ne pas se perdre. Il fut le premier homme à faire une distinction claire entre le magnétisme et l'“effet d'ambre”, c'est-à-dire l'électricité statique.

En 1663, un physicien allemand, Otto von Guericke créa le premier générateur électrique, qui produisait de l'électricité statique par friction. Le générateur était fait d'une large boule de soufre à l'intérieur d'une sphère en verre, montée sur une tige. La sphère était mise en rotation grâce à un levier et le frottement donnait lieu à de l'électricité statique. Le globe pouvait être déplacé et utilisé comme une source d'électricité dans des expériences. Von Guericke utilisa son générateur pour prouver que des charges de même nature se repoussent.

Le grand développement de l'électrochimie

Sir Humphry Davy

Faraday et Daniell

La première électrolyse a été réalisée le 2 mai 1800 par deux chimistes britanniques, William Nicholson et Sir Anthony Carlisle, quelques jours après l'invention de la première pile électrique par Alessandro Volta (publication soumise le 20 mars 1800 dans une lettre en français au président de la Royal Society). En utilisant la pile de Volta, les deux scientifiques effectuent une électrolyse de l'eau et réussissent à transformer l'eau en dihydrogène et en dioxygène. Peu après, Ritter découvre le principe de galvanoplastie. Il observa que pendant une électrolyse une quantité de métal produit une quantité d'oxygène qui dépend de la distance entre les électrodes. En 1801, Ritter observa des courants thermoélectriques et il anticipa la découverte de la thermoélectricité par Thomas Johann Seebeck.

En 1802, William Cruikshank conçoit la première batterie électrique pouvant être produite en grande quantité. Comme Volta, il arrange des plaques carrées de cuivre, qu'il va vendre jusqu'à la fin ainsi que des plaques de zinc de la même taille. Ces plaques étaient placées dans une longue boite rectangulaire qui était scellée avec du ciment. Des fentes dans la boite permettaient aux plaques de métal de rester en position. La boite était ensuite remplie de saumure ou d'eau acide. Ce flot a pour avantage de ne pas s'évaporer et fournit plus d'énergie que la pile de Volta ou des papiers enduits de saumure entre les plaques.

Dans le but d'une meilleure production du métal platine, deux scientifiques William Hyde Wollaston et Smithson Tennant travaillèrent ensemble pour concevoir une technique efficace d'électrochimie pour raffiner ou purifier le platine. Tennant finit par découvrir l'osmium et iridium. Les efforts de Wollaston lui permirent de découvrir le palladium en 1803 et le rhodium en 1804.

En 1809, Samuel Thomas Von Soemmering développa le premier télégraphe. Il utilisa un montage avec 26 câbles (un câble pour chaque lettre de l'alphabet allemande). Chacun de ces câbles terminait dans une réserve d'acide. À la station d'envoi, une lettre était complétée par un circuit et une batterie était connectée. Le passage du courant décomposait chimiquement l'acide et le message était lu en observant à quelle fin de câble les bulles apparaissaient. Les messages étaient transmis de cette manière, une lettre à la fois.

Les travaux de Sir Humphry Davy avec les électrolyses amenèrent à la conclusion que la production d'électricité dans les simples cellules électrolytique résulte d'interactions entre les électrolytes et les métaux et se produisent entre des espèces de charges différentes. Il observa que l'interaction entre le courant électrique et les produits chimiques donnait le plus souvent toutes les substances les plus basiques comportant les éléments. Cette vision des choses était expliquée en 1806 dans la lecture On Some Chemical Agencies of Electricity pour lequel il reçut le prix Napoléon (bien que la France et l'Angleterre étaient en guerre à cette époque). Son travail conduisit directement à l'isolation du sodium et du potassium à partir de leurs composés courants et de d'autres métaux alcalins à partir de 1808.

La découverte de l'effet du magnétisme sur le courant en 1820 par Hans Christian Ørsted fut tout de suite reconnue comme une grande avancée. Cependant, il abandonna ses travaux sur l'électromagnétisme aux autres. André-Marie Ampère répéta les expériences d'Ørsted et il les formula mathématiquement (ce qui devint la loi d'Ampère). Ørsted découvrit que non seulement une aiguille est attirée par un courant électrique mais aussi que le fil électrique en entier est attiré par un champ électrique, ce qui est la base pour la construction d'un moteur électrique. Ørsted découvrit aussi la pipérine, un constituant important du piment, qui fut une importante contribution à la chimie ainsi que la préparation de l'aluminium en 1825.

En 1821, le physicien estonien allemand Thomas Johann Seebeck démontra le potentiel électrique de points de jonction de deux métaux différents quand il y a différence de température entre les joints. Il joignit un fil de cuivre avec un fil de bismuth pour former une boucle ou un circuit. Les jonctions étaient formées en liant les extrémités des deux fils. Il découvrit accidentellement que s'il chauffe une des jonctions à haute température et que l'autre jonction reste à température ambiante, un champ magnétique est alors observé dans le circuit.

Il ne reconnaissait pas qu'un courant électrique était généré lorsqu'il fit la jonction bi-métal. Il utilisa le terme « thermomagnétisme » ou « courant thermomagnétique » pour décrire sa découverte. Pendant les deux années suivantes, il reporta ses observations à l'Académie Prusse des Sciences ou il décrivait ses observations sur la polarisabilité des métaux et des minerais produits par une différence de température. Cet effet Seebeck devint la base du thermocouple, qui est considéré comme la méthode la plus exacte pour mesurer des températures aujourd'hui. L'effet inverse, dit effet Peltier, d'apparition d'une différence de température lorsqu'un courant parcourt un circuit avec des métaux différents ne fut observé qu'aprés dix ans de controverse.

En 1827, un scientifique allemand Georg Ohm exprime sa fameuse loi dans son livre Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet, « le circuit galvanique étudié mathématiquement », dans lequel il donne sa théorie complète de l'électricité.

En 1829, Antoine-César Becquerel inventa la cellule de courant constant précurseur de la pile Daniell, très connue. La pile était constituée d'une plaque de zinc en milieu acide et d'une plaque de cuivre dans une solution de sulfate de cuivre. Quand cette pile d'acide avec les alcalins était contrôlée par un galvanomètre, le courant se révélait constant pendant une heure, le début du courant constant. Il appliqua le résultat de son étude de la thermoélectricité pour construire un thermomètre électrique et mesurer la température à l'intérieur des animaux pu le sol à une différente profondeur ou l'atmosphère à différente altitudes. Il aida à valider les lois de Faradays et conduisit de grande recherches sur l'électrodéposition des métaux avec pour application la finition des métaux et la métallurgie. La technologie des cellules solaires date de 1839 quand Becquerel observa que les rayons de soleil sur une électrode plongé dans une solution conductrice créent un courant électrique.

Michael Faraday commença, en 1832, ce qui promettait être une tache fastidieuse de prouver que toutes les électricités avaient les mêmes propriétés et provoquer les mêmes effets. L'effet clé était l'électro décomposition. L'énergie voltaïque et électromagnétique ne posèrent aucun problèmes mais l'électricité statique posa un problème. Alors que Faraday s'intéressait au problème, il fit deux découvertes de départ. Premièrement, la force électrique ne décompose pas les molécules a distances comme cela était supposé. Il s'agit du passage d'électricité dans un milieu liquide conducteur qui fait que la molécule se dissocie même quand l'électricité se décharge dans les airs et ne passe pas par un pôle ou centre d'action dans les piles voltaïque. Deuxièmement, la quantité de décomposition se trouvait être liée à la quantité d'électricité passant à travers la solution.

Ces découvertes menèrent Faraday à établir une nouvelle théorie de l'électrochimie. La force électrique selon lui mettait les molécules d'une solution dans un état de tension. Quand la force était suffisamment forte pour s'opposer aux forces qui lient les molécules ensemble pour permettre l'interaction avec des molécules voisines, la tension s'élimine par la migration des particules le long des lignes de tension, les différentes atomes migrant chacun de leur côté dans des directions opposées. La quantité d'électricité qui passait était clairement liée.

Faraday établit les deux lois suivantes d'électrochimie :

• la quantité de substance déposée sur chaque électrode d'une cellule électrolytique est directement proportionnelle à la quantité d’électricité passant dans la cellule ;
• la quantité des différents éléments pour une certaine quantité d'électricité est en rapport avec le poids moléculaire équivalent.

William Sturgeon construisit un moteur électrique en 1832 et inventa le commutateur, un anneau de métal hérissé qui permet a l'armature spiralaire de maintenir le contact avec le courant électrique et qui transforme le courant alternatif en un courant continu pulsé. Il améliora la batterie voltaïque et travailla sur la théorie de la thermoélectricité.

Hippolyte Pixii, un fabricant d'instrument français construisit la première dynamo en 1832 et puis ensuite la première dynamo de courant continu en utilisant le commutateur. Ce fut la première utilisation pratique mécanique générateur de courant qui utilisait le concept démontré par Faraday.

John Daniell commença des expériences en 1835 dans le but d'améliorer la batterie voltaïque notamment ses problèmes d'être une source instable et faible de courant électrique. Son expérience donna des résultats remarquables. En 1836, il inventa la première pile dans laquelle l'hydrogène était éliminé dans la génération de l'électricité. Daniell résolu le problème de la polarisation. Dans son laboratoire, il réussit à allier un amalgame de zinc de Sturgeon avec du mercure. Sa version fut l'une des premières batteries à deux fluides qui produisait une source de courant électrique fiable pendant une longue période de temps.

William Grove produisit la première chambre à combustion en 1839. Il basa ses expériences sur le fait qu'envoyer un courant dans de l'eau divise l'eau en ses composants hydrogène et oxygène. Grove essaya de faire la réaction dans l'autre sens, c'est-à-dire combiner de l'hydrogène et de l'oxygène pour produire de l'eau et de l'électricité. Cependant, le terme chambre de combustion fut inventé par Ludwig Mond et Charles Langer en 1889, qui essayèrent de construire le premier appareil utilisant l'air et le gaz industriel de charbon. Il introduisit aussi une puissante batterie au meeting annuel de la British Association for the Advancement of Science de 1839. La première pile de Grove était constituée de zinc dans une solution d'acide sulfurique diluée et de platine dans une solution d'acide nitrique concentrée sépare par un pont poreux. La pile pouvait produire un courant de 12 ampères et de 1,8 volt. Cette pile avait une tension double par rapport à celle de la première pile Daniell. La pile de Grove à l'acide nitrique fut la batterie préfère du télégraphe américain à ses débuts (1840-1860) car elle offrait un grand courant à la sortie.

Alors que le trafic du télégraphe augmentait, on a constaté que la pile Grove produisait du dioxyde d'azote, un gaz toxique. Alors que le télégramme devenait plus complexe, le besoin d'une tension continue était critique et l'appareil de Grove était limité. Pendant la guerre civile américaine, la pile de Grove fut remplacée par la batterie de Daniell. En 1841, Robert Bunsen remplaça les électrodes en platine couteuses utilisés dans la batterie de Grove par des électrodes en carbone. Ceci conduisit à une plus grande utilisation de la batterie Bunsen dans la production d'arc électrique et d'electroplatine.

Wilhelm Weber développa en 1846 l'électrodynamomètre dans lequel un courant passant fait tourner un anneau suspendu a un autre anneau qui tourne quand un courant passe au travers. En 1852, Weber définit l'unité de résistance le Ohm en l'honneur de Georg Ohm. Le nom de Weber est utilisé pour des unités de mesure du flux magnétique.

Un physicien allemand Johann Hittorf arrive à la conclusion que le mouvement des ions est la cause du courant électrique. En 1853, Hittorf remarque que certains ions se déplacent plus rapidement que d'autres. Cette observation le conduit à la notion de nombre de transport. Hittorf mesura les changements de concentration dans les solutions électrolysées. À partir de ces résultats, il calcula les nombres de transport de nombreux ions et en 1869, il publia ses résultats concernant la migration des ions.