Le blog d'histoire des sciences

L'électricité était présente dans le laboratoire de Lavoisier. En particulier par la machine électrique à friction qui a produit les étincelles avec lesquelles a été enflammé le jet d'hydrogène, brûlant dans l'oxygène, lors de la fameuse expérience de synthèse de l'eau.

Le procédé est ancien et a été inauguré par Volta qui est resté célèbre comme électricien mais a été également un chimiste qui a participé à la "chasse aux airs" aux côtés de Priestley et des chimistes britanniques. Elle sera réalisée avec une extraordinaire facilité quand il aura découvert le premier générateur de courant continu : la pile électrique. Une découverte majeure dont Lavoisier, mort quelques années plus tôt, aurait certainement fait le meilleur des usages.

La naissance du courant continu : la pile de Volta.

Nous ne reprendrons pas ici la découverte par Galvani de l'effet d'un couple de deux métaux différents sur le nerf et le muscle d'une cuisse de grenouille et le débat qui l'oppose à Volta quant à l'interprétation du phénomène. Le premier voyait dans le muscle l'origine de l'électricité produite, le second dans les métaux.

C'est par une lettre adressée le 20 mars 1800 à Joseph Banks, président de la Royal Society de Londres, que Volta fait part au monde des électriciens de la naissance de ce nouvel enfant de la science électrique qu'il vient de mettre au point : « l'appareil dont je vous parle, et qui vous étonnera sans doute, n'est qu'un assemblage de bons conducteurs de différentes espèces, arrangés d'une certaine manière. Vingt, quarante, soixante pièces de cuivre, ou mieux d'argent, appliquées chacune à une pièce d'étain, ou, ce qui est beaucoup mieux, de zinc et un nombre égal de couches  d'eau ou de quelque autre humeur qui soit meilleur conducteur que l'eau simple, comme l'eau salée, la lessive, etc. ; ou des morceaux de carton, de peau, etc., bien imbibés de ces humeurs… "

Suit une description précise de l'appareil, un empilement alterné des différents disques, et de ses effets, en particulier sa faculté à donner des "décharges" à toute personne qui en saisit les deux extrémités.

La pile de Volta
(Louis Figuier, Les merveilles de la science)

La lettre de volta est lue devant les membres de la Royal Society le 26 juin mais dès le mois d'avril son contenu était connu des membres de la société. Dès le mois de juillet, le "Journal philosophique de Nicholson" publiait à la fois la lettre de Volta et le récit d'une multitude d'expériences aussitôt exécutées par ceux qui en avaient été informés.

La pile, l'eau, l'oxygène et l'hydrogène.

Parmi ceux-ci un chirurgien, Anthony Carlisle est très attentif à l'invitation expresse de Volta : rechercher tout ce que la pile, "organe électrique artificiel" comparable à celui des poissons torpilles, peut apporter à la médecine et à la physiologie. Des monnaies d'argent, des rondelles de zinc et des rondelles de carton imprégnées d'eau salée lui permettent de monter une colonne de 17 couples. Avec son ami Nicholson, physicien averti, il se propose d'abord de vérifier la polarité de son montage à l'aide d'un électroscope. Voulant améliorer le contact entre le fil relié à l'un des pôles de la pile et le plateau de l'électroscope, il dépose sur celui-ci une goutte d'eau dans laquelle il plonge le fil.

Bons observateurs, les deux amis remarquent, autour du fil, un dégagement de fines bulles d'un gaz dont l'odeur, disent-ils, leur fait soupçonner qu'il s'agit d'hydrogène. L'eau serait-elle décomposée par le fluide électrique ? Le 2 mai de l'année 1800, ils le vérifient en reliant les deux pôles de la pile à un tube de verre de 30 centimètres de longueur et de quinze millimètres de diamètre, rempli d'eau de source et fermé par deux bouchons de liège traversés par un fil de cuivre.

Le tube est vertical, son électrode inférieure est reliée à la plaque d'argent, l'autre à la plaque de zinc. Dans un premier temps rien ne se passe. On rapproche les fils de cuivre et quand ils ne sont plus distants que de cinq centimètres : "une longue traînée de bulles excessivement fines, s'éleva de la pointe du fil inférieur de cuivre qui communiquait avec le disque d'argent, tandis que la pointe du fil de cuivre opposé devenait terne, puis jaune orangé, puis noire".

Après deux heures et demie de ce fonctionnement, le sommet du tube contenait environ un demi-centimètre cube d'un gaz qui, en détonnant avec un mélange d'air, se révélait bien être de l'hydrogène. La base du tube recevait pour sa part un dépôt filamenteux tombant du fil supérieur et qui se révélait être de l'oxyde de cuivre. On pouvait soupçonner que ce composé était le résultat d'une combinaison du métal avec l'oxygène issu de la décomposition de l'eau. Pour le vérifier, il suffisait de remplacer le cuivre par deux fils d'un métal inoxydable comme le platine. Ce qui fut fait.

Comme espéré, un dégagement de gaz se développa, alors, sur chaque électrode. En modifiant le montage il était possible de les recueillir séparément et de constater que le premier était de l'hydrogène et le second de l'oxygène. Possible aussi de mesurer leur volume et de retrouver les proportions établies par Lavoisier pour la composition de l'eau.

Cette première expérience établissait un pont symbolique entre la spectaculaire décomposition chimique de l'eau par le fer porté au rouge, réalisée par Lavoisier et Meusnier à peine vingt ans plus tôt, et celle de la décomposition électrique par la modeste et mystérieuse pile.

La spectaculaire décomposition de l'eau en oxygène et hydrogène au moyen de la pile, ouvre une nouvelle époque pour l'électricité et d'abord pour la chimie. Des noms et des méthodes nouvelles d'analyse en résultent quand Faraday prend le relais.

Faraday (1791-1867), l'électrolyse, les ions.

D'origine modeste (son père est forgeron), Faraday quitte l'école à quatorze ans pour entrer comme courtier chez un libraire. Il en profite pour dévorer tous les livres qui passent à sa portée. Sa culture est bientôt remarquée par un client du magasin qui le recommande à Humphry Davy. Celui-ci l'engage comme assistant, en 1813, au laboratoire de la "Royal Institution". Il entre à la "Royal Society" de Londres en 1824 et, l'année suivante, en devient directeur du laboratoire.

Continuateur de Davy, il propose, dans la septième série de ses "Recherches expérimentales sur l'électricité" datées de décembre 183, 3, le vocabulaire qui est aujourd'hui la norme internationale dans le domaine : électrolyse, électrolyseur, électrolyte, électrode, anode, cathode, ion, anion, cation...

Quand l'hydrogène mesure le courant électrique :

"L'action de décomposition d'un courant est constante pour une quantité constante d'électricité". Telle est la conclusion des multiples expériences réalisées par Faraday qui en déduit la possibilité de construire "un instrument qui, interposé sur le circuit du courant électrique utilisé pour une expérience particulière, pourrait servir, au choix, comme élément de comparaison ou comme réel appareil de mesure de cet agent subtil".

Quel électrolyseur utiliser ?

"Il n'y a pas de substance mieux adaptée, dans les circonstances ordinaires, que l'eau ; car elle est facilement décomposée quand elle est rendue plus conductrice par l'addition d'acides ou de sels."

C'est en mesurant le volume de gaz dégagé, surtout celui de l'hydrogène moins soluble, que Faraday mesure la quantité d'électricité qui a circulé dans un circuit. Il nomme "volta-électromètre", l'appareil de mesure qu'il construit. Le nom sera ensuite contracté en "voltamètre".

Un des modèles de volta-électromètre utilisé par Faraday.
Faraday, Recherches expérimentales sur l'électricité, 1833

L’hydrogène, de l’électrolyse à la pile à combustible.

La réalisation des premières "piles" a amené l'électrolyse et aux électrolyseurs. Par un chemin inverse c'est l'électrolyse qui a inspiré les premières "piles à combustibles". Notons ici que le mot pile a une longue postérité car ce ne sont plus par des empilements métaux différents que sont réalisés les nouveaux générateurs à courant continu.

Une pile à combustible est composée de deux électrodes : une anode qui émet des électrons et une cathode réductrice qui collecte des électrons. Ces deux sont séparées d’un électrolyte central par des catalyseurs. L’électrolyte peut être liquide ou solide, son objectif étant de faciliter le passage des ions.

Dans une pile à hydrogène, l’hydrogène est transformé en électricité. Au sein de l’anode, l’hydrogène est décomposé en électrons et en ions hydrogène, sous l’effet d’un catalyseur. Les ions hydrogène traversent l’électrolyte vers la cathode, tandis que les électrons passent par un circuit électrique, créant ainsi l’énergie électrique qui alimente le moteur électrique et la batterie. Au sein de la cathode, l’oxygène de l’air et les électrons provenant du circuit électrique se recombinent sous l’effet du catalyseur, pour créer des ions oxygène. Lorsque ces derniers rencontrent les ions hydrogène provenant de l’électrolyte, ils forment des molécules d’eau, unique rejet de la pile à combustible. Installée dans une voiture, la pile à combustible génère ainsi un courant électrique qui alimente le moteur ou recharge la batterie, tout comme sur un véhicule électrique.