Découverte de la nature électrique de la matière

Le XVIIIe siècle a été marqué par l’essor de l’étude des phénomènes électriques. De nombreux chimistes et physiciens vont faire des découvertes intéressantes à cette époque. Benjamin Franklin découvrit la nature électrique des éclairs et montra ainsi que l’électricité est cachée dans la nature (1750).

Charles de Coulomb établit la relation donnant la force électrostatique entre 2 charges (1785). Alessandro Volta créa la première pile électrique en 1800 (figure I). Pour ce faire, il a empilé des disques de Cuivre et de Zinc séparés par de l’acide sulfurique. Il prouva grâce à cette expérience que les réactions chimiques sont capables de produire de l’électricité (réaction d’oxydoréduction).

Michael Faraday s’est intéressé au lien entre électricité et réaction chimique et s’est demandé s’il était possible d’engendrer une réaction chimique à partir d’électricité (inverse de la pile de Volta). Ainsi, il a découvert l’Electrolyse. Il a également découvert que l’électricité est discontinue, d’où son hypothèse : L’électricité est constituée de particules qui se déplacent.

Une centaine d’année après la première pile, Thomson et Ferrin ont prouvé l’existence de particules négatives constitutives de l’électricité grâce à l’expérience du tube cathodique. L’électricité qui passe à travers un tube sous vide forme un rayonnement (appelé rayonnement cathodique). Ce rayonnement est la preuve d’un déplacement de particules entre les deux électrodes à l’intérieur du tube cathodique. Ils ont donc essayé de déterminer la nature de ces particules en imaginant une nouvelle expérience que l’on appelle l’expérience de déflection des « rayons » (figure II). Celle-ci consiste à soumettre ce rayonnement à une différence de potentiel. L’expérience montre que les rayonnements sont déviés par rapport à la borne positive de la différence de potentiel. Ainsi, les particules constitutives de ce rayonnement seraient négatives.

Thomson calcula le rapport charge électrique sur masse pour cette particule. Celui –ci vaut 1,76 108 C/kg.

La prochaine découverte concernant ces particules a été apportée par un physicien américain : Robert Andrews Millikan.

Il a imaginé l’expérience représentée par la figure III. Il soumet un aérosol de gouttelettes d'huile à des rayons X dans une boite chargée. Ces rayonnements, qui ionisent la matière, peuvent arracher des électrons à l'air, qui sont alors capturés par les gouttelettes d'huile. On observe donc la formation de gouttelettes positives et négatives. Les gouttelettes chargées positivement tombent plus rapidement vers la plaque négative. Les gouttelettes négatives sont en lévitation car elles sont soumises à deux effets antagonistes (gravitation qui les pousse vers le bas et l’attraction électrostatique qui l’attire vers le haut).

Une réaction d’oxydoréduction (ou redox) est un transfert d’électron. Chaque composé possède un état d’oxydation qui peut lui être attribué à l’aide des quelques règles suivantes :

* L'état d'oxydation d'un atome dans un élément est 0

* L'état d'oxydation d'un ion monoatomique est égal à sa charge

* L'oxygène reçoit un nombre d'oxydation de -2 dans les composés covalents, sauf dans les peroxydes, où il vaut -1

* Dans les composés covalents avec un non-métal, l'hydrogène a un nombre d'oxydation de +1. Il a un état d’oxydation de -1 dans les hydrures.

* Dans un composé binaire, l'élément qui a la plus grande attraction pour les électrons reçoit un nombre d'oxydation négatif égal à sa charge dans des composés ioniques.

* La somme des nombres d'oxydation dans un composé doit valoir la charge totale du composé

Equilibrer ce type de réaction est souvent compliqué. Pour éviter de se tromper, il y a une marche à suivre :

a. Assigner les états d'oxydation de tous les atomes

b. Trouver quel atome est oxydé et déterminer l'augmentation de son état d'oxydation

c. Trouver quel atome est réduit et déterminer la diminution de son état d'oxydation

d. Choisir les coefficients des espèces contenant les atomes qui changent de nombre d'oxydation, de façon à ce que l'augmentation totale des nombres d'oxydation égale la diminution totale des nombres d'oxydation

e. Equilibrer le reste de l'équation par inspection

En général, les réactions redox ne se déroulent pas en milieu neutre mais bien en milieu basique et acide. Le milieu dans lequel se déroule la réaction est important car les H+ et OHinterviennent dans les demi-équations. Il faut donc veiller à ne pas les oublier !