l’eletrolyse de l’eau… ou omment produire...

THEME 3 : L’EAU EAU ET ENERGIE ELECTROLYSE DE L’EAU/ PROD DE H2

Correction Act.1 Electrolyse de l’eau 1/4

L’EAU

CORRECTION Act.1 L’ELECTROLYSE DE L’EAU… OU COMMENT PRODUIRE DU DIHYDROGENE …

Objectifs : - étudier le fonctionnement d’un électrolyseur - déterminer le rendement de la transformation d’énergie.

1. ANALYSE CHIMIQUE D’UNE ELECTROLYSE

ATTENTION !!!! : Porteurs de charges = ELECTRONS dans les parties métalliques, IONS en solution

5) Dans l’équation de la réaction, le coefficient stoechiométrique du H2 est deux fois plus grand que celui du O2, ce

qui correspond bien à un volume de H2 dégagé deux fois plus grand que de O2. Le volume des 2 gaz

est donc bien cohérent avec l’équation.

Electrode Reliée à la borne - Reliée à la borne +

Comparaison des volumes de gaz dégagé

Volume de gaz du tube 1 environ deux fois plus grand que dans le tube 2

Nature du gaz Dihydrogène H2 (légère détonation à l’approche de l’allumette enflammée

en haut du tube 1)

Dioxygène O2 (incandescence de la bûchette ravivée dans le tube 2)

Demi-équation électronique associée

Couple H20 / H2

2 H20 + 2 e- → H2 + 2 HO- (2)

Couple O2 / H2O

2 H20 → O2 + 4 H+ + 4e- (1)

Nature de la « réaction » : oxydation ou réduction ?

RéduCtion (Capture d’électrons) OxydAtion (LibérAtion d’électrons)

Nom de l’électrode : anode ou cathode ?

Cathode Anode

Equation de la réaction décrivant le fonctionnement global de

l’électrolyseur

6 H2O → 2 H2 + O2 + 4 H+ + 4 HO- 6 H2O → 2 H2 + O2 + 4 H20

soit 2 H2O → 2H2 + O2



L’EAU

6) a) Dans l’équation de la réaction, seule l’eau est réactive (cf. gauche de la flèche). Cette électrolyse d’une solution

de sulfate de sodium peut être considérée comme une « électrolyse de l’eau », les ions sodium et sulfate n’étant que

des ions spectateurs de cette électrolyse.

b) L’eau distillée ne contient des ions qu’en très faible concentration (ions oxonium et hydroxyde générés par la réaction d’autoprotolyse de l’eau en concentration 10-7 mol/L). L’eau distillée est donc quasiment isolante. On ne pourrait pas l’électrolyser avec notre dispositif expérimental.

2. TRACE ET EXPLOITATION DE LA CARACTERISTIQUE DE L’ELECTROLYSEUR

UTILISE

GRAPHE : Bien penser au titre : « Caractéristique U = f(I) de l’électrolyseur ». Attention au sens : U en ordonnées, I en abscisses Bien penser à préciser l’échelle. Relier à la main les premiers points puis à la règle les points quasi-alignés de la portion affine dite « linéarisable » MODELISATION DE LA PORTION DE FONCTIONNEMENT DIT « LINEAIRE »

La courbe obtenue comporte une partie linéarisable d’équation : U = E’ + r’ I avec :

E’, la force contre électromotrice de l’électrolyseur (= la tension minimale qu’il faut lui appliquer pour qu’il laisse passer un courant et remplisse correctement son rôle d’électrolyseur)

r’, la résistance interne de l’électrolyseur. Détermination des valeurs de E’ et r’ (ATTENTION AUX UNITES !!!)

Par Regressi : E’ = 3,5 V r’ = 145 Par détermination graphique : E’ = ordonnée à l’origine (poursuivre en pointillés la droite tracée à la règle jusqu’à l’intersection avec l’axe des ordonnées) : E’ = 3,5 V r’ = coefficient directeur de la droite. Prendre 2 pts A et B de la droite. Les placer clairement sur le graphe. Ecrire clairement leurs coordonnées : A (IA = 0 ; UA = 3,5 V) B (IB = 60 mA = 0,060 A ; UB = 12 V) ATTENTION : les valeurs de tension doivent être en volts et les intensités en Ampères A pour que le calcul donne r’ en ohms

Calculer r’ = (UB – UA) / (IB – IA) = (12 – 3,5) / (0,060 – 0) = 142



L’EAU

3. DETERMINATION DU RENDEMENT ENERGETIQUE DE CETTE ELECTROLYSE 1) Compléter le schéma en précisant la nature des énergies 1, 2 et 3. Energie 1 : énergie ELECTRIQUE (consommée) Energie 2 : énergie CHIMIQUE (utile) Energie 3 : énergie THERMIQUE (perdue) 2) Utiliser l’équation de la caractéristique pour retrouver l’expression littérale des valeurs des 3 énergies en fonction de U, I, r’, E’ et Δt, si on note Δt la durée de fonctionnement de l’électrolyseur.

U = E’ + r’ I

Pour passer en puissance électrique (P en watts = U I) , on multiplie U (et donc chaque terme de l’équation) par I :

U I = E’ I + r’ I2

Pour passer en énergie (E en Joules = P t = U I t), on multiple chaque terme de la relation

précédente par t, la durée de fonctionnement :

U I t = E’ I t + r’ I2 t

Energie électrique reçue par l’électrolyseur (énergie 1) énergie chimique utile (én.2) énergie thermique perdue (én.3)(effet Joule)

2) Calcul du rendement :

𝛒 = 𝑬𝒖𝒕𝒊𝒍𝒆

𝑬𝒄𝒐𝒏𝒔𝒐𝒎𝒎é𝒆=

𝑬𝒄𝒉𝒊𝒎𝒊𝒒𝒖𝒆

𝑬é𝒍𝒆𝒄𝒕𝒓𝒊𝒒𝒖𝒆=

𝑬′𝑰∆𝒕

𝑼𝑰∆𝒕=

𝐄′

𝐔

AN. Pour I = 100 mA :

U = E’ + r’ I = 3,5 + 145 I Avec I = 100 mA = 0,100 A : U = 18 V E’ = 3,5 V

= 3,5 / 18 = 0,19 soit un rendement de 19 %

4. ETUDE DE L’ELECTROLYSE DE L’EAU REALISEE AVEC LA PAC REVERSIBLE (Caractéristique

et rendement)

La PAC (PEMFC) utilisée est réversible : lorsqu’on lui fournit de l’énergie électrique (par exemple photovoltaïque), elle se comporte en électrolyseur et produit du dihydrogène et du dioxygène à partir de simple eau distillée.

Lorsque le réservoir d’hydrogène est plein, on peut la déconnecter de sa source de tension : elle se comporte alors en pile et peut faire

fonctionner un moteur ou une voiture-modèle réduit.

Les valeurs de tension et d’intensité ont été relevées lors d’une manipulation identique à celle du §3.

1) Saisir les valeurs du tableau ci-contre dans Régressi.

2) Tracer la caractéristique U=f(I).



L’EAU

3) Modéliser la courbe obtenue dans sa partie linéarisable.

4) Relever l’équation correspondant au modèle choisi.

U = E’ + r’ I Détermination des valeurs de E’ et r’

Par Regressi : E’ = 1,4 V r’ = 0,231

5) Déterminer le rendement de la PAC utilisée en tant qu’électrolyseur

pour I = 100 mA. Le comparer à celui de l’électrolyseur du laboratoire.

U = E’ + r’ I = 1,4 + 0,231 I Avec I = 100 mA = 0,100 A : U = 1,42 V

= E’/ U = 1,4 / 1,42 = 0,99 soit un rendement de 99 %

Conclusion : Rendement bien meilleur avec la PAC réversible utilisée en

électrolyseur qu’avec l’électrolyseur du labo.

NB. Comparer les deux rendements pour une même valeur de I revient à les comparer pour une même quantité d’électricité transférée, et donc une même quantité de H2 produite par unité de temps.

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