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Thème:L'eauSous-thème:EaueténergieTP:ELECTROLYSE:PRODUCTIONDEDIHYDROGENE Ledihydrogèneestuncombustibleessentieldanslespilesà combustible.Ilestactuellementproduitparreformagedeshydrocarbures. D'autresvoie ssontactuellementà l'é tude pouruneproduction moinscouteuseetplus"propre».Le9janvier2012aétéinauguréelaplateformeMyrte(Missionhydrogènerenou velablepourl'intégrationaurése auélectrique)enC orse,prèsd'Ajaccio.L'ambitiondecetteplateformeestdeproposerunesolutiondestockaged'électricités ousformededihydrogèneetdedioxygènepr oduitsparélectrolysedel'eau.Voustrouverezsurleblogdespécialitéunevidéointroductiveexpliquantenquoiledihydrogèneestuneénergied'avenir.Problème:Quelleestlamanièrelaplusproprepourproduiredudihydrogène?Documentsmisà votredisposition! Documentn°1:Matérielà votredisposition• Electrolyseur• Générateurcontinu• 2multimètres+câblesélectriques• Solutiondesulfatedesodium(Na++í µí µ!!!)à 0,1mol.L-1• 2tubesà essai,2éprouvettesgraduées.• Buchettes,allumettes• Chronomètre! Documentn°2:Montageexpérimentaldel'électrolysedel'eauL'électrolysedel'eauestunedesméthode sdesynthèsedudihydrogène. Lesélec trolyseurstransformentl'énergieélectrique enénergiechimiqueavecuncertainrendement.
! Documentn°3:DonnéesdiversesLescouplesoxydant/réducteurmisenjeudansl'électrolysedel'eau:• H+/H2(g)• O2/H2O! Documentn°4:Testsd'identificationdequelquesgazGaztestéProcédureObservationDioxygène(O2)PrésenterunebûchetteéteintemaisencoreincandescenteL'allumetteserallumeDihydrogène(H2)PrésenteruneflammeDétonationTravailà effectuer1. EtudequalitativeProtocoleexpérimental:"Introduire200mLdesolutiondesulfatedesodium(2Na+(aq)+SO42-(aq)),à laconcentrationde1,0mol.L-1,dansl'électrolyseur#Remplirdeuxtubesà essais,numérotés$et%,aveclasolutiondesulfatedesodium.Lesboucheravecvotrepoucemunidegants&Retournezlestubessurlesélectrodesdel'électrolyseur(sipossibleaucunebulled'airnedoitapparaitredanslestubes).'RéalisezlemontageexpérimentalduDOC.2.(Réglezlegénérateurdetensioncontinueenvironsurlavaleur12Vetlelaisserdébiterpendantenvironsixminutes.)Observez:comparezlesvolumesdesgazcontenusdanscestubes.*Eteindrelegénérateurlorsquel'undestubesestremplidegaz.+Boucherletube$à l'aidedevotrepouceavantdelesortirdel'électrolyseurpuisleretourneretapprocherlaflammed'uneallumette.Fairedemêmeavecletube%enyprésentantunebûchetteéteintemaisencoreincandescente.,Identifiezlesdeuxgazformés.Pourquoia-t-onutiliséunesolutionaqueusedesulfatedesodiumetnondel'eaupurepourréaliserQ1.l'électrolysedel'eau?Quelestlesensconventionnelducourantélectriquedanslecircuit?Q2.Endéduirelesensdedéplacementdesélectronsdanslecircuitextérieurà l'électrolyseur.Q3.Quelssontlesporteursdechargeresponsablesdupassageducourantdanslasolution?DansquelQ4.senssedéplacent-ils?ComplétezleschémaduDOC.2enyreprésentantlemouvementdetouslesporteursdechargesmisQ5.enjeu.Déduiredetouteslesobservationsfaitesprécédemmentl'équationdelaréactionquiseproduità Q6.chacunedesélectrodes.Identifierl'anodeetlacathodeaprèsavoirrappeléladéfinitiondecesdeuxtermes.Q7.Déterminerl'équationdelaréactionquidécritlefonctionnementglobaldel'électrolyseur.Q8.Lesvolumesrespectifsdesdeuxgazobtenussont-ilscohérentsavecl'équationdecetteréaction?Q9.Questions
2. Rendementdel'électrolyseur(QuestionsposéesauTPBAC)! Documentn°5:rendementd'unélectrolyseurLorsqu'unélectrolyseurestalimentéparungénérateurdélivrantunetensionU(expriméeenvolts),ilestparcouruparuncourantd'intensitéI(expriméeenampères).L'énergieWEtotalereçueparl'électrolyseur(expriméeenjoules)pendantunedurée∆t(expriméeensecondes)est:WE=U.I.∆tUnepartiedecetteénergieestutiliséepourdissocierl'eauetdoncproduiredudihydrogène(c'estl'énergie"utile»);leresteestdissipésousformedechaleurpareffetJoule.Ondéfinitlerendementénergétiquerdel'électrolyseur,commelerapportentrel'énergieutileetl'énergietotalereçue:r=énergieutileénergietotalereçue ! Documentn°6:ÉnergieutilepourproduiredudihydrogèneL'énergienécessairepourprod uireunemolededihydrogèneH2à par tirdel'électro lysedel 'eauestEH2=286kJ.mol-1.L'énergieutileEU(expriméeenjoules)permettantdeproduireunequantitédematièrendedihydrogèneH2secalculeparlarelation:EU=n.EH2Laquantitédematièrencorrespondantà unvolumeV(expriméenlitres)dedihydrogèneH2secalculeparlarelation:n=VVmDonnée:Levolumeoccupéparunemoledegazdanslesconditionsdel'expériencevaut24L;levolumemolaireVmestdoncégalà 24L.mol-1.Protocoleexpérimental:"ReprendrelemontageexpérimentalduDoc.2.#Remplirdeuxéprouvettesgraduéesaveclasolutiondesulfatedesodium.&Retournezlestubessurl'électrolyseur,lesfermeraveclepouce(enmettantdesgants),puislesretournerau-dessusdesélectrodes.Lesmainteniravecunepincetoutenveillantà cequ'ellesnetouchentpaslefonddel'électrolyseur.'Déclencherlechronomètreaumomentoùlegénérateurestmisenfonctionnementetqu'ildébiteuncourant.Régleralorstrèsrapidementlegénérateurdefaçonà cequel'intensitéItraversantl'électrolyseursoitvoisinede0,3A. (Laisserdébiterlegénérateurens'assurantquel'intensitéresteconstante(lanoter).NoterlavaleurdelatensionU. )Stopperl'électrolyseainsiquelechronomètrelorsquelevolumededihydrogèneforméestégalà VH2=10,0mL. +Noterladurée∆talorsécoulée.Grandeurphysique(unité)VolumeV(L)TensionU(V)IntensitéI(A)Durée∆t(s)Résultatdelamesure................................................
! Documentn°7:ChargeélectriqueLachargeélectriqueQdébitéeparungénérateurestliéeà l'intensitéparlarelation:í µ=í µ.âˆ†í µâ€¢ OùQ:chargeélectriqueenCoulomb(C)• í µ:intensitéducourantélectrique• âˆ†í µ :duréedefonctionnementdugénérateurenseconde(s)LachargeélectriqueQ,lorsd'uneélectrolyse,estliéeà laquantitéd'électronsmiseenjeudansunedemi-équationparlarelation:í µ=í µí µ!.í µ3. Problèmeà résoudre:Julessedécideà lancersonentreprise.Elles'appelleraNewfueletproduiraledihydrogènenécessaireauxvéhiculesfonctionnantaveccecarburant.Aprèsavoirtrouvéc ommentprod uirecedihydrogène,Jules souhaiter aitbienévidemmentquesonentreprisesoitrentable.Pourcela,ildoitêtrecapabledeproduire20m3dedihydrogèneparjour.Ilaà sadispositionungénérateurcapablededébiteruncourantde2,0kA.Julesdoit-ilchangerdegénérateur?Exprimerlerendementdel'électrolyseurenfonctionduvolumeVdedihydrogèneproduit,duvolumeQ1.molaireVm,de l'énergieEH2nécessairepourobtenirunemol ededihydrogè ne,delatensionU,del'intensitéIducourantetdeladurée∆tdel'électrolyse.Déterminerlavaleurdurendementrdel'électrolyseur.Q2.Questions
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