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Chimie des batteries au plomb

1859

Gaston Planté

(generate image for illustration only)

La première batterie rechargeable à succès commercial. Elle utilise une anode en plomb (Pb), une cathode en dioxyde de plomb (PbO₂) et un électrolyte à base d'acide sulfurique (H₂SO₄). Lors de la décharge, les deux électrodes sont converties en sulfate de plomb (PbSO₄), ce qui consomme l'acide sulfurique. Ce processus est chimiquement réversible par application d'un courant externe, ce qui en fait un système de stockage d'énergie pratique et robuste.

The lead-acid battery’s operation is based on a reversible double sulfate reaction. In a fully charged state, the negative electrode is pure, spongy lead (Pb), and the positive electrode is lead dioxide (PbO₂). Both are immersed in an electrolyte of approximately 37% sulfuric acid (H₂SO₄) in water.

During discharge, the following half-reactions occur. At the anode: [latex]Pb(s) + HSO_4^-(aq) \rightarrow PbSO_4(s) + H^+(aq) + 2e^-[/latex]. At the cathode: [latex]PbO_2(s) + HSO_4^-(aq) + 3H^+(aq) + 2e^- \rightarrow PbSO_4(s) + 2H_2O(l)[/latex]. In both reactions, the active material is converted to lead sulfate, and sulfuric acid is consumed while water is produced. This consumption of sulfuric acid causes the specific gravity (density) of the electrolyte to decrease, providing a simple and effective way to estimate the battery’s state of charge using a hydrometer.

To recharge the battery, an external voltage is applied, forcing the reactions to run in reverse. Lead sulfate on the negative plate is converted back to lead, and lead sulfate on the positive plate is converted back to lead dioxide. The water is consumed, and sulfuric acid is regenerated, increasing the electrolyte’s specific gravity. Despite its low energy-to-weight ratio and the environmental hazards of lead, the technology’s low cost, reliability, and ability to supply high surge currents have ensured its continued widespread use, especially in automotive applications.

Automobile, Batterie, Chimie, Génie électrique, Énergie, Génie de l'environnement, Recyclage, Énergie renouvelable, Pratiques de durabilité

UNESCO Nomenclature: 2203

- Électrochimie

Taper

Processus chimique

Perturbation

Révolutionnaire

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

Découverte de l'électrolyse et de la réversibilité de certaines réactions chimiques
Daniell Cell and other non-rechargeable galvanic cells
Développement de générateurs dynamo capables de fournir un courant continu pour la recharge
Techniques de fabrication améliorées pour les plaques de plomb

Applications

batteries de démarrage, d'éclairage et d'allumage automobiles (SLI)
alimentations sans interruption (UPS) pour centres de données et hôpitaux
systèmes d'éclairage de secours
systèmes d'alimentation hors réseau pour maisons isolées
propulsion pour chariots élévateurs et voiturettes de golf

Brevets:

Idées d'innovations potentielles

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Contexte historique

Chemist conducting experiments with catalysts in a vintage laboratory setting, 1850.

Catalyseur sur l'équilibre chimique

Un catalyseur augmente la vitesse des réactions directes et inverses de manière équivalente en proposant une voie de réaction alternative avec une énergie d'activation plus faible. Bien qu'un catalyseur permette à un système d'atteindre l'équilibre beaucoup plus rapidement, il ne modifie pas la position de l'équilibre lui-même. Les concentrations à l'équilibre des réactifs et des produits, ainsi que la valeur de la constante d'équilibre K, restent inchangées.

19th-century chemist measuring gas volumes illustrating the Ideal Gas Law in thermodynamics.

Loi des gaz parfaits (forme molaire)

The ideal gas law is the equation of state for a hypothetical ideal gas, approximating the behavior of many gases under various conditions. The molar form relates pressure ([latex]P[/latex]), volume ([latex]V[/latex]), amount of substance in moles ([latex]n[/latex]), and absolute temperature ([latex]T[/latex]) via the universal gas constant ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].

Current-carrying conductor experiment demonstrating Thomson Effect in thermoelectricity.

Effet Thomson

The Thomson effect describes the heating or cooling of a current-carrying conductor when a temperature gradient exists along its length. Heat is produced or absorbed when current flows through a material with a temperature gradient. The rate of heat production per unit length is given by [latex]\frac{dQ}{dx} = -\mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex], where [latex]\mathcal{K}[/latex] is the Thomson coefficient.

Chimie des batteries au plomb

Équation de Maxwell-Faraday

Il s'agit de la forme différentielle de la loi d'induction de Faraday, l'une des quatre équations de Maxwell. Elle stipule qu'un champ magnétique variable dans le temps ([latex]\mathbf{B}[/latex]) accompagne toujours un champ électrique variable dans l'espace et non conservatif ([latex]\mathbf{E}[/latex]). La relation s'exprime comme suit : [latex]\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}[/latex]. Cette équation régit la manière dont les champs magnétiques changeants créent des champs électriques en un point spécifique de l'espace.

19th-century laboratory scene illustrating the critical temperature of gases in thermodynamics.

Température critique des gaz

La température critique est la température au-dessus de laquelle une phase liquide distincte ne peut se former, quelle que soit la pression appliquée. Chaque gaz possède une température critique unique. Pour liquéfier un gaz, il faut d'abord le refroidir en dessous de cette température. Ce concept, établi par Thomas Andrews, est fondamental pour comprendre les conditions requises pour tout processus de liquéfaction.

Blue sky illustrating Rayleigh scattering in optics and physics.

Rayleigh Scattering and Blue Sky

Rayleigh scattering is the elastic scattering of light by particles much smaller than the light's wavelength. This phenomenon is responsible for the blue color of the daytime sky. Shorter, blue wavelengths of sunlight are scattered more effectively by the nitrogen and oxygen molecules in the atmosphere than longer, red wavelengths, causing the sky to appear blue from an observer's perspective.

1850

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1859

1861

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1871

1850

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Engineers designing an efficient heat engine in a laboratory, illustrating thermodynamics applications.

Deuxième loi de la thermodynamique

La deuxième loi introduit le concept d'entropie et définit la direction des processus spontanés. Elle peut être formulée de plusieurs manières, mais une conséquence essentielle est que l'entropie totale d'un système isolé ne peut jamais diminuer au fil du temps. Cette loi explique la « flèche du temps » et l'irréversibilité des processus, comme la chaleur qui s'écoule spontanément d'un corps chaud vers un corps froid.

Laboratory scene illustrating thermodynamic experiments on the Perfect Gas Model.

Le modèle du gaz parfait

A perfect gas is a theoretical model of a gas where intermolecular forces are neglected and specific heat capacities ([latex]C_P[/latex] and [latex]C_V[/latex]) are assumed to be constant with respect to temperature. This simplifies thermodynamic calculations significantly. It is a specific case of the ideal gas, where specific heats can vary with temperature, making it a more constrained model.

19th-century laboratory scene with Ludwig Boltzmann studying the Ideal Gas Law in statistical thermodynamics.

Loi des gaz parfaits (forme statistique)

The statistical mechanics formulation of the ideal gas law expresses the relationship in terms of the microscopic properties of the gas. It relates pressure ([latex]P[/latex]) and volume ([latex]V[/latex]) to the total number of particles ([latex]N[/latex]) and the absolute temperature ([latex]T[/latex]) through the Boltzmann constant ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].

Thermodynamic laboratory with Peltier and Seebeck apparatus illustrating Kelvin relations.

Relations de Kelvin (Thomson)

The Kelvin relations are two equations that thermodynamically link the three thermoelectric coefficients: the first relation connects the Peltier coefficient ([latex]\Pi[/latex]) to the Seebeck coefficient ([latex]S[/latex]) via absolute temperature ([latex]T[/latex]): [latex]Pi = S \cdot T[/latex]. The second relates the Thomson coefficient ([latex]\mathcal{K}[/latex]) to the temperature derivative of the Seebeck coefficient: [latex]\mathcal{K} = T \frac{dS}{dT}[/latex].

Laboratory setup for measuring molar volume of gas in physical chemistry experiments.

Volume molaire d'un gaz

Une conséquence directe de la loi d'Avogadro est le concept de volume molaire : une mole de tout gaz idéal, à une température et une pression données, occupe un volume fixe. À température et pression standard (TPS), définies à 273,15 K (0 °C) et 1 atm, ce volume est d'environ 22,4 litres. Ce principe simplifie la stœchiométrie en permettant une conversion directe entre le volume du gaz et les moles.

Physicien analysant les équations de distribution de Boltzmann dans un laboratoire d'époque.

La distribution de Boltzmann

La distribution de Boltzmann décrit la probabilité qu'un système en équilibre thermique à la température T se trouve dans un micro-état spécifique d'énergie E. Cette probabilité est proportionnelle au facteur de Boltzmann, [latex]e^{-E / k_B T}[/latex]. Elle implique que les états à faible énergie ont exponentiellement plus de chances d'être occupés que les états à énergie plus élevée, la température modulant cette préférence.

Scène historique de laboratoire avec James Clerk Maxwell étudiant la force électromotrice et la différence de potentiel électrique.

CEM vs. différence de potentiel

La force électromotrice (FEM) et la différence de potentiel électrique (tension) sont des concepts distincts, bien que toutes deux soient mesurées en volts. La FEM est le travail par unité de charge fourni par une force non conservative (par exemple, une réaction chimique, un champ magnétique variable) pour déplacer une charge au sein d'une source. La différence de potentiel est le travail par unité de charge fourni par le champ électrostatique conservative entre deux points.