3)Interfaces entre électricité et chimie dont prémices de futures innovations
1)Toutes les matières et l’électricité :
Pour bien comprendre l’importance relative à accorder aux équations, aux réalités de la chimie et de l’électricité, il faut , il me semble, considérer 6 sortes de matières d’électro-chimie. Voici les 6 classifications de matière, molécules ou agrégats que je propose : air et gaz, liquides dont eau et vie cellulaire, matière neutre électriquement, métal, piles et autres matières. Ces matières ont donc des propriétés principalement chimiques et électriques mais également un petit peu mécanique. Voyons ces propriétés.
Les gaz dont le principal est de l’air consistent en des molécules qui ont des mouvements mécaniques indépendants les uns des autres et qui macroscopiquement sont compressible et connaissent une pression d’ambiance. Electriquement, ils possèdent une très grande résistance qui en théorie est infinie. Lorsque les molécules sont non excitées par cause quantique, le potentiel d’ionisation est assez élevé et se situerait aux alentours de 1000 V (excitation d’une bougie de voiture entretenue sur une distance de 0.2mm). L’ionisation d’un gaz se fait par effet de proximité et il n’est pas question de tenir compte d’un effet de distance avec un champ électrique. Dans l’ambiance classique non électrisée, une tension d’ionisation se traduit par de petites étincelles et dans le cas d’une ambiance électrisée comme lors d’un orage ou dans un tube néon, il peut y avoir une décharge d’intensité de courant qui si elle n’est pas entretenue comme par l’orage, elle arrive à une désexcitation des molécules et atomes.
Les liquides dont l’eau est le principal et est donc responsable de la vie cellulaire comme on le verra en biologie, sont des molécules qui sont comprimées au maximum toujours et donc incompressible. Elles ont un mouvement de translation et de glissement par tranche les unes sur les autres. Les atomes de plus faible masse tournent à 2 autour du centre pour l’eau. En quantique cela dit donc que 2 niveaux de rotations remplissent complètement les 3D de mouvement possible. C’est une base quantique très importante de l’univers si j’ai bien compris. La résistivité de l’eau s’élèverait à environ 10-1Ωm. L’eau vu les effets quantiques, a la particularité (comme le métal) d’équilibrer les tensions. Il subsiste cependant une sorte de bruit de fond qui s’élève à 80 mV (à la fréquence du réseau électrique public). Les propriétés des molécules font que celles-ci se dissocient dans l’eau (s’ionise mutuellement) par l’effet puissant de rotation propre des H+ qui est déjà un effet croisé entre mécanique et électrique que doivent voir, regarder et comprendre les chimistes. L’électronégativité gouverne après les réactions par la loi de Nernst et Faraday que l’on voit ci-après.
La majorité des matières sont neutres électriquement et sont constituées d’agrégats ou de cristaux de molécules de définition en chimie. Ces matières ont des propriétés d’isolation que l’on leur résistivité électrique détermine. Il n’y a ici rien de plus à dire sur ce simple interface entre l’électricité et la chimie.
Le métal est un réseau d’atomes de chimie qui ont des particularités très très importantes en électricité. La résistance d’un métal qui est très très faible est donnée par sa résistivité. On définit pour les métaux des niveaux de tension qu’ils atteignent, c’est le potentiel auquel se trouve une pièce (suivant les niveaux quantiques de Fermi). Pour une géométrie donnée (par exemple plaque), celui-ci dépend du nombre de paquets d’électrons ou nombres d’électrons qui sont arrivés jusque là par les lois pratiques d’électrotechnique et théorique de Maxwell.
Un autre composant classique qui est la meilleure interface entre l’électricité et la chimie sont les piles. Une réaction chimique par effet redox donnent une différence de potentiel. Il existe des piles liquides et des piles solides, on étudiera plus en détail leur fonctionnement dans le chapitre chimie.
Les autres matières seraient composées principalement des matières électrisables qui ont été les premiers révélateurs historiques de l’électricté. Le frottement mécanique amène de petites ionisations locales qui se traduisent par des étincelles après être passé par un état dit électrisé. C’est le cas pour des matières comme la laine, le bouchon de liège, etc…
Il existe, de plus, les propriétés de très faible conductivité à très basse température que l’on appelle la supraconductivité.
2)La tension de référence : par définition de l’atome et/ou moléculaire repos ou dans un réseau
Tous les groupent d’éléments peuvent avoir un potentiel qui leur est attribué. Il existe cependant la vue interne du potentiel qui est sa caractéristique par rapport à l’électrisabilité. C’est le point de vue de la physique quantique qui donne comme effet la création de lumière ou de son par sauts électroniques discrets. Un atome peut en théorie avoir un ou plusieurs niveau d’électrisabilité qui est estimé au mieux par la physique. Du point de vue externe qui est identique en général, c’est un niveau que l’on peut mesurer et qui dépend principalement de la classification électro-chimique des matières.
En pratique pour des circuits électriques, on établi par construction une masse de référence que l’on laisse flottante donc isolée si l’on veut, ou mieux que l’on raccorde à une masse communes à plusieurs cartes ou éléments électriques.
En science, il vaut mieux se rapporté à une masse commune pour la plupart des cas c’est la terre. Celle-ci est cependant sujet à discussion publique pour le type de raccordement au réseau producteur d’électricité, la présence ou non de piquet de fer de masse de référence locale dans le sol sec ou humide. Il y a au mieux un bruit de fond de l’eau de 80 mV mais la mesure en science jusqu’au μV peut s’avérer intéressante. En science, au niveau des mers et océans, il devrait y avoir des mesures de tension de référence pour les utiliser dans des études prévisionnelles de micro-biologie. Il y a débat sur la question et un point mondial de définition du 0V mondial n’existe pas mais peut être prévu.
3)L’électrolyse ou loi de Nernst et Faraday
Dans une ambiance, le plus souvent aqueuse, on place 2 réactifs chimiques ensemble. Ensuite, on place un potentiel entre les 2 réactifs et des nouveaux étages d’oxydation peuvent ainsi être atteints. Ce mécanisme de Redox sera étudié plus en détail dans le chapitre chimie.
Cependant en ce qui concerne la dynamique de cette réaction, on peut remarquer qu’elle suit la loi suivante de Faraday :E = E0 + ( R T / n F ) ln[oxydants]/[réducteurs] pour une réaction complète sur l’une des 2 électrodes
Avec E : tension appliquée en volt
E0 : potentiel d’oxydo-réduction
R : constante universelle chimique des gaz parfaits : 8.31 J /(mol K)
F : Faraday : 96500 cb /mol
T : température : K
En appliquant cette loi aux 2 électrodes, on arrive à 2 potentiels qui doivent être identiques et qui définissent alors la constante d’équilibre de la réaction d’ensemble par rapport aux électro-négativités de base pour les groupes de composants de base.
4)Pile : voir chapitre chimie
5)Champs électrique et organisation possible de l’entropie dans un petit espace
Dans l’eau, un champ électrique attire préférentiellement plus ou moins les fortes charges d’anions ou de cations comme par analogie l’atmosphère attire plus fort les molécules légères comme la vapeur. A ce niveau, en mécanique, l’entropie est bien régulée et équilibrée en pouvant allant jusqu’à moins d’entropie et réorganisation. La même diminution d’entropie partielle et meilleure organisation devrait pouvoir être atteinte dans des cas de laboratoires en électro-chimie pour de nouvelle vie cellulaire bio-chimique par exemple peut-être.
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