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La connaissance de l’électrochimie, y compris la pile galvanique et l’électrolyse pourrait être appliquée pour développer des outils et des matériaux liés au métal et les solutions électrolytes tels que des piles sèches, des batteries air, les matériaux d’électrodialyseur.
I. Piles sèches
Une pile sèche est une batterie accumulateur d’électricité utilisé l’anode de lithium et la cathode de disulfure de titane (TiS2), l’électrolyte est une substance qui polymère appelé électrolyte solide qui a la propriété de faire passer des ions mais pas des électrons.
Figure 24.1 Composants de la pile sèche utilisée TiS2 comme cathode
Le lithium métal perd des électrons et se transforme en ion Li+ à travers l’électrolyte solide pour passer à la cathode d’où TiS2 gagne des électrons pour former TiS2. Ensuite Li+ et TiS2 s’associent pour former du titane disulfite de lithium (LiTiS2). L’électrolyte solide est un stimulateur d’électrons, ce qui permet à cette pile de fonctionner sans former de court-circuit. Les réactions de cette pile se produisent ainsi :
Anode : Li(s) Li+ + e (dans l’électrolyte solide) Cathode : TiS2(s) + e TiS2(s)
Réaction globale : Li(s) + TiS2(s) Li+ + TiS2(s) (dans l’électrolyte solide)
Ce type de pile a une tension de 3 V et c’est une pile secondaire.
Actuellement, cette pile est appliquée à la voiture, ce qui a l’avantage de ne pas ajouter de l’eau, mais le prix est encore cher par rapport à la pile accumulée de plomb.
Une autre pile sèche utilisé le lithium comme anode et l’oxyde de métal tels que MnO2 ou V6O13 comme cathode, l’électrolyte est le polymère qui permet au Li+ de passer mais pas des électrons.
Figure 24.2 Composants de la pile sèche utilisée MnO2 comme cathode
Les réactions de cette pile se produisent ainsi :
Anode : Li(s) Li+ + e (dans l’électrolyte solide) Cathode : MnO2(s) + Li+ + e LiMnO2(s)
Réaction globale : Li(s) + MnO2(s) LiMnO2(s)
Ce type de pile a une tension de 3 V et c’est une pile secondaire. Ces piles sont utilisées dans des calculatrices, des montres, des appareils photos (piles à petite taille)… et dans des ordinateurs (piles à grand taille).
II. Batteries air
Actuellement les voitures électriques consomment de l’énergie à partir de la batterie qui est très lourde, ce qui provoque la restriction des objets de transport.
Les véhicules électriques ont été développés pour pouvoir recueillir plus de quantité d’énergie. Les batteries air est un accumulateur électrique fonctionnant à
partir de l’oxygène de l’air comme oxydant et les métaux tels que le Zn et Aℓ comme réducteurs, l’électrolyte peut être une solution concentrée de NaOH.
Pour la batterie Aℓ-air est une batterie dont on utilise Aℓ comme anode.
Lorsqu’on relie à la pile, le métal Aℓ produit une oxydation et forme Aℓ3+ mais dans la solution contient plus de quantité de concentration en OH, ce qui forme [Aℓ(OH)4], à la cathode, on utilise l’électrode carbone, le dioxygène gazeux et l’eau produit une réduction et forme OH. Les réactions qui se produisent sont : Anode : Aℓ(s) + 4 OH(aq) [Aℓ(OH)4](aq) + 3 e (4) E° = 2,31 V Cathode : O2(g) + 2 H2O(ℓ) + 4 e 4 OH(aq) (3) E° = 0,401 V Réaction globale : 4 Aℓ(s) + 3 O2(g) + 6 H2O(ℓ) + 4 OH(aq) 4 (Aℓ(OH)4)(aq)
E°(pile) = E°cathode – E°anode
E°(pile) = E°(O2/OH) – E°([Aℓ(OH)4]/Aℓ)
E°(pile) = 0,401 – ( 2,31) = 2,711 V
Pendant l’application de cette batterie, [Aℓ(OH)4] produit se transforme en Aℓ(OH)3 revêtu d’aluminium, donc après l’utilisation de cette batterie dans la voiture pendant une durée de 200 Km, il faut éliminer Aℓ(OH)3 car Aℓ(OH)3 est un isolant électrique qui pourrait provoquer un court-circuit.
En outre, on a également développé une nouvelle batterie, telle que la batterie zinc-air selon la figure 24.3.
Figure 24.3 Batterie zinc-air
Les réactions dans la batterie se produisent ainsi : Anode : Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e
Cathode : ½ O2(g) + 2 e O(g)
III. L’électrodialyse
L’électrodialyse est un procédé électrochimique qui permet de séparer les ions de la solution en les faisant circuler à travers des membranes d’échange d’ions qui sont des membranes très minces. L’électrodialyse se montre par la mise sous tension de générateur qui va permettre à chaque ion d’être attiré par l’électrode opposé, la concentration des ions dans la solution est donc diminue.
Lorsqu’on fait passer l’eau de mer dans les canaux A, B et C, les ions dans l’eau de mer tels que Na+, Mg2+ qui entrent dans le canal B circulent à travers de membrane d’échange d’ions positifs au pôle négatif du canal A, tandis que les ions négatifs tels que Cℓ, SO24 circulent à travers de membrane d’échange d’ions négatifs au pôle positif du canal C, donc l’eau coulé du canal B possède très peu des ions, s’il n’y a pas d’ions Na+, l’eau sorti du canal B est l’eau potable.
Le principe de la pile électrochimique peut être développé et généré de l’électricité à partie des réactions chimiques avec efficace. De plus, on pourrait utiliser l’énergie électrique pour provoquer une réaction chimique dans le processus de production des produits chimiques. Actuellement, la technologie des piles électrochimiques se développe régulièrement, ce qui permet de créer de nouveaux produits électrochimiques.
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1. Quelles sont les propriétés des électrolytes solides ? et lesquels sont des électrolytes solides ?
2. Lesquelles des propositions ci-dessous concernant des piles sèches ? a. l’électrolyte solide est une substance qui polymère.
b. utilisé le zinc métal comme anode.
c. l’avantage de la pile sèche est de ne pas ajouter de l’eau, mais le prix est encore cher par rapport à la pile accumulée de type d’ajout d’eau distillée.
d. utilisé la solution de ZnSO4 comme électrolyte solide.
e. les ions des métaux de l’anode se dirigent vers la cathode.
3. Pourquoi doit-on éliminer Aℓ(OH)3 de la batterie ? Comment s’est-il produit et se trouve dans quelle partie de la batterie ?
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