THÉORIE DE LA PILE

Les physiciens ont été longtemps divisés d'opinion sur la théorie de la pile. Yolta avait émis l'opinion que le d^agement des deux

électricités, a l'état de courants aux deux pôles de la pile, provenait du simple contact de deux métaux accouplés, tandis que d'autres savants observateurs prétendaient reconnaître que l'action chimique seule était la cause du phénomène; mais aujourd'hui, et surtout depuis les expériences de M. Delarive, qui a démontré que le simple contact de deux métaux ne donne lieu a aucun effet électrique, presque tons les physiciens sont d'accord sur la nécessité de l'action chimique, et cette presque unanimité nous dispense de prendre la défense de cette dernière opinion, qui n'est plus contestable.

Cepftndant, il ne suffit pas d'admettre simplement qu'une action chimique a lieu pour que la théorie du phénomène soit établie, il faut montrer encore en quoi elle consiste ; c'est ce que nous allons essayer de faire, comme suite de la démonstration des propriétés chimiques des deux électricités.

Les conditions particulières dans lesquelles se font les unions chimiques qui ont pour but de produire les deux courants d'électricité sont variables comme la nature des corps employés, mais il y a des conditions générales auxquelles on doit toujours satisfaire :

4° Les vases dans lesquels on opère doivent être mauvais conducteurs de l'électricité, ou isolés;

2° Les corps comburants et combustibles sont les seuls qui puissent participer utilement aux actions chimiques, les premiers en- * gendrant toujours les courants dits positifs, et les seconds les courants dits négatifs ;

3° Un double système de corps bons conducteurs doit plonger

dans les dissolutions ou se rattacher aux métaux combustibles, afin

d'établir des routes que les électricités séparées puissent suivre Vers

un point commun.

Pile à gaz de Growe.

Il existe une pile imaginée par Growe, avec les gaz hydrogène et gaz oxygène comme éléments, que nous voulons examiner en premier lieu a cause de l'extrême simplicité des actions chimiques que produisent ces deux corps mixtes, dont nous avons étudié plus haut la combustion.

Les gaz sont disposés dans des petites cloches reposant deux k

deux dans des verres contenant de Teau adduiée par l'acide sulfurique, Tune des cloches de chaque verre renfermant du gaz hydrogène et l'autre du gaz oxygène. Les cloches contiennent, en outre, des handes de platine platiné allant du sommet a la base et se repliant pour sortir de Teau.

La pile se monte en réunissant la bande oxygène du premier verre avec la bande hydrogène du second, et ainsi de suite, de sorte que les deux bandes extrêmes appartiennent a des gaz différents et constituent les deux pôles. M. Growe a étahli ainsi des batteries de cinquante couples, sur lesquelles il a observé les phénomènes suiyants :

V Lai bande de platine sortant du gaz hydrogène constitue le pôle n^atif, et celle sortant du gaz oxygène le pôle positif ;

2® Une commotion sensible fut ressentie par cinq personnes se tenant par la main entre les deux pôles ;

5® Un électroscope a feuilles d'or fut fortement affecté ;

4® Une étincelle brillante, visible même au grand jour, se manifesta entre deux pointes de charbon ;

5® L'iodure de potassium, Tacide hydrochlorique et Feau acidulée par l'acide sulfurique, furent successivement décomposés.

En même temps que les deux courants d'électricité manifestent leurs forces par tous ces signes, les volumes des gaz diminuent dans les cloches, et le gaz hydrogène, justeipent une fois plus vite que le gaz oxygène.

M. Growe, enfin, a constaté qu'en employant les deux courants de cette pile exclusivement a la décompositipn de l'eau» les volumes des gaz recueillis dans les tubes du voltamètre, tant pour l'hydrogène que pour l'oxygène, sont exactement égaux a la somme des volumes de ces gaz qui disparaissent dans les cloches, de sorte que la pile a gaz forme précisément autant d'eau que les deux courants d'électricité en décomposent a leur point de rencontre.

Cette réaction des deux gaz sous l'influence des lames de platine est curieuse a plusieurs points de vue : c'est une véritable combustion avec soustraction des éléments impondérables ; l'équilibre entre les éléments des gaz est rompu, sans doute, par les lames comme il le serait par l'éponge de platine, et tandis que l'éthérile se sépare de l'oxygène au pôle posiûf» l'électrile du gaz hydrogène suit le con-

ducteur du pôle négatif, et Toxygène simple s'uiiit à l'hydrogène ^mple dans Teau acidulée.

Nous aurions prçdit tacilement que les pôles seraient ainsi placés ; car, si les électricités produites par le frottement ou le choc sur certains corps sont variables dans leur nature, cela tient à ce qu'elles sont alors produites par la simple décomposition du calorique (nous prouverons le iait), et que les corps frottants et les corps frottés se les partagent en raison de leurs qualités physiques extérieures: mais les électricités produites par les réactions chimiques proviennent de corps comburants ou combustibles qui n'en contiennent qu'une sorte en combinaison, et q\]â par conséquent donnent constamment la même électricité. Tous les corps comburants mixtesi, comme le gaz oxygène, le chlore, l'iode, ainsi que les acides, qui sont des con^burants plus composés, doivent constamment donner un dégagement d'éthérile dans les unions chimiques et constituer le pôle positif, tandis que le gaz hydrogène et les métaux donneront toujours l'électrile et le pôle négatif.

I^s deux; courants d'électricité^ en décomposant la même quantité d'eau que les éléments de la pile en produisent par le^r combinsq-^ son, établiss^ent la preuve de la proportion définie des éléipents des deux gaz, aussi bien des éléments impondérables que des éléments pondérables. La loi de Faraday est d'ailleurs en aecord avec le fait que nous citons.

Piles de Sméé et de Yolaston.

Après la pile à gaz, Tune des piles les plus simples dans son action est celle de Smée, dfms laquelle dçux métaux , dont l'un plus attaquable, plongent dans un bain d'acide sulFurique étendu d'eau. L'élément est formé d'une lame de platine platiné entre deux lames de zinc amalgamé, d'une moindre dimeriision. Ces lames sont séparées par de petites règles en bois, dont les extrémités reposent sur le vase de verre ou de porcelaine dans lequel plonge l 'élément; de plus, une pince métallique, serrant la partie supérieure des hunes de zinc contre les règles de bois, porte h fil conducteur de ce métal, tandis qu'une antre pince, reposant sur la lame de platine, porte le fil du second pôle.

La pile étant disposée et chargée d'acide sulfurique étendu de sept k dix parties d'eau, l'action sur le zinc n'est pas sensible tant que la communication n'est pas établie entre les pôles ; mais aussitôt que le circuit est fermé, l'action chimique a lieu et se manifeste par la production du gaz hydrogène, qui se dégage en abondance sur la lame de platine. En même temps, si les deux courants sont dirigés dans un voltamètre, on peut constater la décomposition de l'eau par la production des gaz oxygène et hydrogène.

On sait d'avance que le zinc, comme métal attaquable, donnera le pôle négatif et le platine par contre le pôle positif ; bientôt, d'ailleurs , la nature des gaz que renferment les cloches en donne la confirmation ; le gaz hydrogène se montre au pôle zinc, le gaz oxygène au pôle platine.

Nous allons rechercher, à l'aide de la connaissance de la constitution réelle des corps comburants et combustibles qui se trouvent en présence, quelles peuvent être les réactions qui produisent ici les deux courants d'électricité.

Quatre corps sont en présence, deux métaux corps basiques combustibles, le platine et le zinc ; l'acide sulfurique, corps comburant, et l'eau, corps neutre. Leurs formules sont pour nous les suivantes :

Platine métal, Pt^EP.

Zinc métal Zn» E^.

Acide sulfurique, SO' Et HO ou SHO* Et. '

Eau, HO.

Les produits de la réaction sont, d'une part, dans Tauge :

du sulfate de zinc, SHO* Zu* O; du gaz hydrogène, H El ; de l'éthérile, Et, a l'état de courant ; de l'électrile, El, a l'état de courant.

^ Dans un de nos mémoires, nous démontrerons que Tacide sulfurique n'est pas un acide à base simple SC plus un atome d*eau nécessaire H 0, mais bien un acide à double base S H avec 4 atomes d'oxygène.

Dans les sulfates non calcinés, nous trouvons Tacide entier SHO^. C'est pourquoi nous prenons à l'avance cette formule, qu'on peut du reste considérer comme la formule brute de SO* -h HO.

Le zinc, Tacide sulfurique et l'eau, ont seuls participé a la réaction, car le platine se trouve au même état, avant et après l'opération.

On sait qu'en présence de Tacide sulfurique étendu, le zinc s'oxyde aux dépens de l'eau, et si nous établissons l'équivalence de cette oxydation, en laissant de côté sa combinaison a l'acide, nous

avons:

Zn^EP + H0=Zn*E10 + HEl.

Le zinc a échangé un atome d'électrile contre un atome d'oxygène pris a l'atome d'eau, et l'hydrogène de l'eau s'est combiné k l'atome d'électrile abandonné par le zinc , pour former le gaz hydrogène qui s'est dé:;agé.

Il reste donc en présence l'oxyde de zinc et l'acide sulfurique, et jusque-la les deux courants d'électricité n'ont pu être produits; mais aussitôt que l'oxyde est formé, il s'unit à l'acide. Voyons ce que peut produire cette union.

La combinaison de l'acide SHO* Et a l'oxyde Zn* El O donne le sulfate neutre SHO*, Zn^ O, qui n'est ni comburant ni combustible ; par conséquent , c'est l'éthérile Et de l'acide que recueille la lame de platine, et c'est l'électrile El de l'oxyde qui s'échappe par la lame de zinc.

La transmission de l'électricité négative par le. zinc est toute simple : le métal contient cet élément impondérable, et dans la combinaison que forme son oxyde sur la lame, elle en devient le conducteur naturel.

Pour concevoir comment la lame de platine recueille l'électricité positive abandonnée par l'acide au moment où il s'unit a l'oxyde de zinc, il faut connaître comment les acides se comportent quand ils sont mis en contact médiat avec les alcalis dans la pile a deux liquides, au moyen d'un diaphragme perméable qui leur permet une combinaison lente. Dans cette condition, une lame de platine étant placée au milieu de l'acide, recueille de l'électricité positive, et si la relation est établie, par un circuit métallique, avec une autre lame plongée dans l'alcali, l'éthérile de l'acide et l'électrile de l'alcali s'échappent a l'état de courants.

Il est donc naturel que la lame de platine recueille l'éthérile de

Tacidê qiiând elle fesl ttiiseen relation par un conducteur avec le pôle zinc déjà chargé d'électrile; danâ ce cas, comtne dans la pile a deux liquides, c'est la masse de l'acide qui cède a la lame de platine Pélectrile de k portion qui se combine. D'ailleurs, le métal attaqué est basique tiinsi que son oiyde, et l'éthérile, corps basique, doit suivre une route inverse k celle de Tacide dont il se sépare, et arriver au métal non attaqué.

M. Pouillet donne des cftuâefi toutes différenteô a la production des deux courants de la pile ( Traité de physique y t. 4 , p. 781). Il Hupposè, par une suite de déductions, que des trois actions chimiiques, savoir : la décomposition de Teâu, Toxydation du zinc et la combinaison de l'acide sulfurique à l'oxyde de i:inc, une seule peut se faire avec abandon des deux électricités, et c'est a la décomposition de l'eau qu'il attribue cette formation.

Gôtte théorie de la pile, formulée a l'aide de toutes les connais* sanoes acquises par l'électro-chimie actuelle, est remarquable en ce qu'elle attribue justement au corps brûlé, à l'eau, la production de$ corps impondérables, qu'il ne contient pas en combinaison.

Il est cependant facile de démontrer, par l'expérience, que c'est a k troisième action, c'est-à-Jire a Tunion de l'oxyde et de l'acide, qu'est due la production des deux électricités.

Il suffit de construire une pile, dans laquelle la plaqué de zînè soit remplacée par une lame de platine recouverte d'oxyde de aine adhérent^ l'autre lame de platine plongeant dans Peau acidulée par l'acide sulfurique; car aussitôt que la communication est établie entre les deux lames, par le circuit, les deux courants se manifestent ^ l'oxyde de zinc donnant le pôle négatif et l'acide le pôle positif.

Dans cette action chimique simple, il n'y a ni eau décomposée ni oxyde de formé* Nous avions donc raison d'attribuer la production dés deux courants d'électricité à l'union de l'acide à l'oxyde.

Dans la pile de Vollaston, les actions chimiques sont aussi d'une grande simplicité. Les deux métaux qui composent l'élément sont le zinc et le cuivre ; on les plonge dans l'eau acidulée par l'acide sulfurique, et l'action chimique présente, comme dans la pile de Smée, la décomposition de l'eau avec dégagement de gaz hydrogène, l'oxydation du zinc et la combinaison de cet oxyde a l'acide sulfuri» qliOb Cette dernière action étant, selon bous, celle qui produit les

deux courants d'éléments impondérables^ parce qu'elle est la seule des trois actions chimiques de la pile qui ait pour cause l'union d'urt corps comburatit à un cotps combustible, toute union qui ne donne pas du calorique dans les conditions ordinaires, n'est pas pour la pile une source d'électricité. La formation de l'oxyde de zittc aux dépens de Peau, ni la décomposition de l'eau en elle^^même ne sont pas dans cette condition , Toxyde de «inc qui servait produit par l'action du g^z oxygène sur le zinc métal donnerait, il est vrai, du calorique et de l'électricité, mais Toxygène de l'eau n'est pas conl« bustible comme le gaz oiygène, il oxyde sans combustion.

L'immersion d'un élément rinc et cuivre dans l'eau acidulée setii blerait, k en juger par l'action isolée de l'acide sur ces métaux, devoir dontier lieu k une doiiWe action chimique, mais il n'en est rien : le métal le plus attaquable, lésine, est seul oxydé, et le cuivre joue le simple rôle de conducteur pour l'éthérile que Tacide abandonne en se combinant a l'oxyde de zinc.

L'expérience a permis depuis longtemps de classer les métaux dans l'ordre de leurs affinités pour l'oxygène, mais c'est seulement par la connaissance de^^ia véritable constitution des métaux libres, qu'on arrive à comprendre ce qui constitue la plus ou moins grande facilité qu'ils présentent pour l'union chimique. En effet, le zinc, métal combustible , a pour formule Z n^ EP , comme le cuivffe Ctt* EP, l'or Aw^El^, le platine P ^^ El^, et si le cuivre est moins attaquable que le zinc, c'est qu'il a plus d'affinité pour l'électrilCj comme l'or et le platine en ont plus que le cuivre. On voit même que l'affinité de ces derniers métaux pour l'électrile est telle qu'elle les rend tout a fait inoxydables par les actions directes; dans l'oxydation, un atome d'oxygène remplace un atome d'éleclrile, mais si le métal a plus d'affinité pour l'électrile que pour l'oxygène, l'échange ne peut avoir lieu.

Nous pourrions multiplier les exemples d'actions chimiques donnant naissance aux deux courants d'électricité, qui constituent le merveilleux instrument de Volta; mais notre but étant seulement en ce moment de chercher à poser les bases d'une théorie, nous croyons pouvoir nous arrêter.

La théorie de la pile embrasse troijs questions principales ; car on doit premièrement se demander d'où viennent les électricités \oU

taïques, quels sont les corps qui doivent être considérés comme ses sources ? ,

2® Quelles sont les actions chimiques qui produisent les deux électricités de la pile, et dans quelles conditions générales les courants peuvent-ils se produire ?

5° Que deviennent ces courants, soit dans leur réunion directe, soit lorsqu'on les applique aux décompositions électro-chimiques?

Toutes ces questions ont été posées et résolues dans notre examen; nous avons dit :

Les corps qui peuvent produire les deux électricités sont, pour l'électrile ou électricité négative, les corps combustibles formés par l'union des corps basiques simples a Télectrile, et leurs composés, tant qu'ils n'ont pas atteint la neutralité, comme les oxydes basiques; et pour l'éthérile, ou électricité positive, les corps comburants formés par l'union des corps simples oxiques à l'éthérile, et les composés dans lesquels ils prédominent, comme les acides.

Les électricités sont dans ces corps a l'état de combinaison en proportions définies.

Les actions chimiques qui produisent les deux électricités sont celles qui donnent du calorique dans les circonstances ordinaires. Ce sont les différents modes de combustion , avec cette seule différence que les deux électricités, qui se combinent immédiatement dans la combustion ordinaire, sont soustraites à l'union, dans l'auge de la pile, par les conducteurs disposés k cet effet.

Enfin, nous avons vu que la réunion des courants de la pile, par un circuit métallique continu, en amenant la- combinaison des deux électricités, donnait du calorique au point de jonciion comme elle en aurait donné sur place dans la combustion ordinaire, et que ces mêmes courants d'éthérile et d'élecirile appliqués a la décomposition des corps binaires ou de sels, rentraient en combinaison avec les éléments oxiques et basiques pondérables, en reproduisant des corps comburants et combustibles.