Thème:L’eauSous-thème:Eaueténergie

TP:ELECTROLYSE:PRODUCTIONDEDIHYDROGENE

Ledihydrogèneestuncombustibleessentieldanslespiles à combustible. Il est actuellement produit parreformage des hydrocarbures. D’autres voies sontactuellement à l’étude pour une production moinscouteuseetplus«propre».

Le9janvier2012aétéinauguréelaplateformeMyrte(Mission hydrogène renouvelable pour l'intégrationau réseau électrique) en Corse, près d'Ajaccio.L'ambition de cette plateforme est de proposer unesolution de stockage d'électricité sous forme dedihydrogène et de dioxygène produits parélectrolysedel'eau.

Voustrouverezsurleblogdespécialitéunevidéointroductiveexpliquantenquoiledihydrogèneestuneénergied’avenir.

Problème:

Quelleestlamanièrelaplusproprepourproduiredudihydrogène?

Documentsmisàvotredisposition

! Documentn°1:Matérielàvotredisposition

• Electrolyseur• Générateurcontinu• 2multimètres+câblesélectriques• Solutiondesulfatedesodium(Na++𝑆𝑂!!!)à0,1mol.L-1• 2tubesàessai,2éprouvettesgraduées.• Buchettes,allumettes• Chronomètre

! Documentn°2:Montageexpérimentaldel’électrolysedel’eau

L’électrolyse de l’eau est une des méthodes desynthèse du dihydrogène. Les électrolyseurstransforment l’énergie électrique en énergiechimiqueavecuncertainrendement.

! Documentn°3:Donnéesdiverses

Lescouplesoxydant/réducteurmisenjeudansl’électrolysedel’eau:• H+/H2(g)• O2/H2O

! Documentn°4:Testsd’identificationdequelquesgaz

Gaztesté Procédure Observation

Dioxygène(O2)Présenterunebûchetteéteintemaisencoreincandescente L’allumetteserallume

Dihydrogène(H2) Présenteruneflamme Détonation

Travailàeffectuer

1. Etudequalitative

Protocoleexpérimental:

"Introduire200mLdesolutiondesulfatedesodium(2Na+(aq)+SO42‒

(aq)),àlaconcentrationde1,0mol.L–1,dansl’électrolyseur#Remplirdeuxtubesàessais,numérotés$et%,aveclasolutiondesulfatedesodium.Lesboucheravecvotrepoucemunidegants&Retournezlestubessurlesélectrodesdel’électrolyseur(sipossibleaucunebulled’airnedoitapparaitredanslestubes).'RéalisezlemontageexpérimentalduDOC.2.(Réglezlegénérateurdetensioncontinueenvironsurlavaleur12Vetlelaisserdébiterpendantenvironsixminutes.)Observez:comparezlesvolumesdesgazcontenusdanscestubes.*Eteindrelegénérateurlorsquel’undestubesestremplidegaz.+ Boucher le tube$ à l’aide de votre pouce avant de le sortir de l’électrolyseur puis le retourner etapprocherlaflammed’uneallumette.Fairedemêmeavecletube%enyprésentantunebûchetteéteintemaisencoreincandescente.,Identifiezlesdeuxgazformés.

Pourquoia-t-onutiliséunesolutionaqueusedesulfatedesodiumetnondel'eaupurepourréaliserQ1.

l'électrolysedel'eau?Quelestlesensconventionnelducourantélectriquedanslecircuit?Q2.

Endéduirelesensdedéplacementdesélectronsdanslecircuitextérieuràl'électrolyseur.Q3.

Quelssontlesporteursdechargeresponsablesdupassageducourantdanslasolution?DansquelQ4.senssedéplacent-ils?

ComplétezleschémaduDOC.2enyreprésentantlemouvementdetouslesporteursdechargesmisQ5.

enjeu.Déduiredetouteslesobservationsfaitesprécédemmentl'équationdelaréactionquiseproduitàQ6.

chacunedesélectrodes.Identifierl'anodeetlacathodeaprèsavoirrappeléladéfinitiondecesdeuxtermes.Q7.

Déterminerl'équationdelaréactionquidécritlefonctionnementglobaldel'électrolyseur.Q8.

Lesvolumesrespectifsdesdeuxgazobtenussont-ilscohérentsavecl'équationdecetteréaction?Q9.

Questions

2. Rendementdel’électrolyseur(QuestionsposéesauTPBAC)

! Documentn°5:rendementd’unélectrolyseur

Lorsqu’unélectrolyseurestalimentéparungénérateurdélivrantune tensionU (expriméeenvolts), il estparcouruparuncourantd’intensité I(expriméeenampères).L’énergieWE totalereçuepar l’électrolyseur(expriméeenjoules)pendantunedurée∆t(expriméeensecondes)est:

WE=U.I.∆tUnepartiedecetteénergieestutiliséepourdissocierl’eauetdoncproduiredudihydrogène(c'estl'énergie«utile»);leresteestdissipésousformedechaleurpareffetJoule.Ondéfinitlerendementénergétiquerdel’électrolyseur,commelerapportentrel’énergieutileetl’énergietotalereçue:

r=énergieutile

énergietotalereçue

! Documentn°6:Énergieutilepourproduiredudihydrogène

L'énergie nécessaire pour produire une mole de dihydrogène H2 à partir de l’électrolyse de l’eau estEH2=286kJ.mol-1.L’énergieutileEU(expriméeenjoules)permettantdeproduireunequantitédematièrendedihydrogèneH2secalculeparlarelation:EU=n.EH2LaquantitédematièrencorrespondantàunvolumeV(expriméenlitres)dedihydrogèneH2secalculeparlarelation:n= V

Vm

Donnée:Levolumeoccupéparunemoledegazdanslesconditionsdel’expériencevaut24L;levolumemolaireVmestdoncégalà24L.mol-1

.Protocoleexpérimental:

"ReprendrelemontageexpérimentalduDoc.2.#Remplirdeuxéprouvettesgraduéesaveclasolutiondesulfatedesodium.&Retournezlestubessurl’électrolyseur,lesfermeraveclepouce(enmettantdesgants),puislesretournerau-dessusdesélectrodes.Lesmainteniravecunepincetoutenveillantàcequ'ellesnetouchentpaslefonddel'électrolyseur.'Déclencher le chronomètreaumomentoù legénérateurestmisen fonctionnementetqu'ildébiteuncourant.Régleralorstrèsrapidementlegénérateurdefaçonàcequel’intensitéItraversantl’électrolyseursoitvoisinede0,3A. (Laisserdébiterlegénérateurens'assurantquel'intensitéresteconstante(lanoter).NoterlavaleurdelatensionU. )Stopperl'électrolyseainsiquelechronomètrelorsquelevolumededihydrogèneforméestégalàVH2=10,0mL. +Noterladurée∆talorsécoulée.

Grandeurphysique(unité)

VolumeV(L)

TensionU(V) IntensitéI(A) Durée∆t(s)

Résultatdelamesure ………… ………… ………… …………

! Documentn°7:ChargeélectriqueLachargeélectriqueQdébitéeparungénérateurestliéeàl’intensitéparlarelation:

𝑄 = 𝐼.∆𝑡

• OùQ:chargeélectriqueenCoulomb(C)• 𝐼:intensitéducourantélectrique• ∆𝑡 :duréedefonctionnementdugénérateurenseconde(s)

LachargeélectriqueQ,lorsd’uneélectrolyse,estliéeàlaquantitéd’électronsmiseenjeudansunedemi-équationparlarelation:

𝑄 = 𝑛 𝑒! .𝐹

3. Problèmeàrésoudre:Julessedécideàlancersonentreprise.Elles’appelleraNewfueletproduiraledihydrogènenécessaireauxvéhiculesfonctionnantaveccecarburant.Après avoir trouvé comment produire ce dihydrogène, Jules souhaiterait bien évidemment que sonentreprisesoitrentable.Pourcela,ildoitêtrecapabledeproduire20m3dedihydrogèneparjour.Ilaàsadispositionungénérateurcapablededébiteruncourantde2,0kA.Julesdoit-ilchangerdegénérateur?

Exprimerlerendementdel’électrolyseurenfonctionduvolumeVdedihydrogèneproduit,duvolumeQ1.molaire Vm, de l'énergie EH2 nécessaire pour obtenir une mole de dihydrogène, de la tension U, del'intensitéIducourantetdeladurée∆tdel'électrolyse.

Déterminerlavaleurdurendementrdel’électrolyseur.Q2.

Questions