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RÉSUMÉ
La conduction électrique d'un électrolyte, qu'il s'agisse d'une solution, d'un sel fondu, d'un polymère, d'un verre ou d'un matériau cristallin, est un phénomène assez complexe car plusieurs espèces chargées sont susceptibles de s'y déplacer. La diffusion et la migration sont décrites par des concepts macroscopiques et microscopiques. L'accent est mis sur les correspondances entre mobilités, coefficients de diffusion et conductivités molaires. Les principales méthodes de caractérisation sont développées, que ce soit dans la détermination de la conductivité ou l'identification des porteurs. Sont précisées certaines précautions à prendre, dans le choix de la cellule de mesure, celui des matériaux d'électrodes et des paramètres du signal électrique appliqué.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Christine LEFROU : Maître de conférences à Grenoble INP (école Phelma)
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Jacques FOULETIER : Professeur à l'université Joseph Fourier, Grenoble
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Pierre FABRY : Professeur honoraire, université Joseph Fourier, Grenoble
INTRODUCTION
Il s'agit ici de présenter les propriétés, les caractéristiques, les mécanismes et les applications de la conduction électrique en se restreignant à une classe de matériaux appelés électrolytes. La conduction électrique dans ce type de matériau est toujours associée à des mouvements macroscopiques d'un ou plusieurs types d'ions qui rendent possible le passage d'un courant électrique. Il existe également des matériaux, dit à conduction mixte, qui présentent simultanément de manière significative des mouvements d'ions et d'électrons, mais ici il ne sera question que des conducteurs ioniques, strictement ou quasiment isolants électroniques.
Les matériaux électrolytes sont au cœur de tout système électrochimique, en particulier ils sont un élément essentiel des générateurs électrochimiques ou des cellules de procédés industriels, ou encore un élément clé de la corrosion de nombreux métaux. L'électrochimie fait toujours intervenir un assemblage de matériaux conducteurs électriques de natures différentes, typiquement la mise en contact entre un métal et un électrolyte. Les propriétés uniques mises en œuvre tiennent alors à ces interfaces particulières, dont l'étude est au centre de l'électrochimie. Cependant les propriétés conductrices des matériaux volumiques, loin des interfaces, sont également importantes pour analyser, caractériser et optimiser les systèmes électrochimiques. Ce sont, en particulier, ces propriétés de conduction qui gouvernent, en même temps que les caractéristiques géométriques de l'électrolyte utilisé, l'ampleur du terme appelé chute ohmique qui accompagne le passage d'un courant dans tout matériau et qui est aussi à l'origine des phénomènes d'effet Joule.
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Conduction dans un électrolyte : approche macroscopiqueArticle inclus dans l'offre
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1. Nature et concentration des porteurs de charge
Il existe une grande variété de matériaux électrolytes, sous de multiples formes : liquides, solides, verres, polymères… Leur point commun est de présenter, à l'échelle atomique, une structure et une composition comportant des ions, c'est-à-dire des atomes ou édifices atomiques ayant une charge multiple de la charge élémentaire (qe = 1,6.10–19 C). Il faut aussi que des mouvements soient possibles, cela fait l'objet des paragraphes 2 et 3. Dans cette première partie, on passe en revue les différents types d'électrolytes, en décrivant leur structure microscopique et en précisant la nature et la quantité (exprimée, par exemple, en concentration) de chacun des porteurs de charge.
Du fait de la nature conductrice de ces matériaux, on peut montrer qu'à l'équilibre ils présentent tous une charge volumique nulle. On parle ainsi de la propriété d'électroneutralité. Elle est valable dans tout volume de matériau conducteur à l'échelle mésoscopique (cela devient faux à l'échelle atomique et/ou à proximité d'une interface). On peut également montrer qu'aux échelles de temps usuelles, cette propriété d'électroneutralité reste valable pour des matériaux conducteurs parcourus par un courant. À titre d'exemple, l'ordre de grandeur du temps caractéristique du retour à l'électroneutralité à partir d'une situation de déséquilibre initial est de une nanoseconde pour un électrolyte en solution aqueuse.
1.1 Solutions électrolytes
Toute solution comporte un solvant et des solutés plus ou moins concentrés. Dans le cas des solutions électrolytes, tout ou partie des solutés est sous forme ionique.
HAUT DE PAGE
Les propriétés des solvants nécessaires pour donner des solutions électrolytes avec une conduction intéressante sont assez nombreuses et il est parfois indispensable de faire des compromis. En dehors des considérations générales (coût, toxicité, inflammabilité, etc.), il faut tenir compte de la plage de température utilisable, de la compatibilité du solvant avec les composés dits actifs (en terme de solubilité, stabilité à l'abandon ou sous courant), et...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BOCKRIS John O'M et al - Modern Electrochemistry 1, - Ionics 769 p., Plenum Press (1998).
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(2) - GIRAULT Hubert - Électrochimie physique et analytique, - 449 p., Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, (2001).
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(3) - TREMILLON Bernard - La chimie en solvants non-aqueux, - 239 p., Presses Universitaires de France, (1971).
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(4) - AURBACH Doron, éditeur - Non-aqueous Electrochemistry, - 602 p., Marcel Dekker, (1999).
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(5) - CHARLOT Gaston - Chimie analytique quantitative, Tome I, - 325 p., Masson, (1974).
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(6) - BERNARD Maurice, BUSNOT Florent - Usuel de chimie générale et minérale, - 560 p., Bordas, (1984).
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