[PDF] TP : ELECTROLYSE : PRODUCTION DE DIHYDROGENE

Thème:L'eauSous-thème:EaueténergieTP:ELECTROLYSE:PRODUCTIONDEDIHYDROGENE Ledihydrogèneestuncombustibleessentieldanslespilesàcombustible.Ilestactuellementproduitparreformagedeshydrocarbures. D'autresvoie ssontactuellementàl'é tude pouruneproduction moinscouteuseetplus"propre».Le9janvier2012aétéinauguréelaplateformeMyrte(Missionhydrogènerenou velablepourl'intégrationaurése auélectrique)enC orse,prèsd'Ajaccio.L'ambitiondecetteplateformeestdeproposerunesolutiondestockaged'électricités ousformededihydrogèneetdedioxygènepr oduitsparélectrolysedel'eau.Voustrouverezsurleblogdespécialitéunevidéointroductiveexpliquantenquoiledihydrogèneestuneénergied'avenir.Problème:Quelleestlamanièrelaplusproprepourproduiredudihydrogène?Documentsmisàvotredisposition! Documentn°1:Matérielàvotredisposition• Electrolyseur• Générateurcontinu• 2multimètres+câblesélectriques• Solutiondesulfatedesodium(Na++í µí µ!!!)à0,1mol.L-1• 2tubesàessai,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)PrésenteruneflammeDétonationTravailàeffectuer1. EtudequalitativeProtocoleexpérimental:"Introduire200mLdesolutiondesulfatedesodium(2Na+(aq)+SO42-(aq)),àlaconcentrationde1,0mol.L-1,dansl'électrolyseur#Remplirdeuxtubesàessais,numérotés$et%,aveclasolutiondesulfatedesodium.Lesboucheravecvotrepoucemunidegants&Retournezlestubessurlesélectrodesdel'électrolyseur(sipossibleaucunebulled'airnedoitapparaitredanslestubes).'RéalisezlemontageexpérimentalduDOC.2.(Réglezlegénérateurdetensioncontinueenvironsurlavaleur12Vetlelaisserdébiterpendantenvironsixminutes.)Observez:comparezlesvolumesdesgazcontenusdanscestubes.*Eteindrelegénérateurlorsquel'undestubesestremplidegaz.+Boucherletube$àl'aidedevotrepouceavantdelesortirdel'électrolyseurpuisleretourneretapprocherlaflammed'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'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 uireunemolededihydrogèneH2àpar tirdel'électro lysedel 'eauestEH2=286kJ.mol-1.L'énergieutileEU(expriméeenjoules)permettantdeproduireunequantitédematièrendedihydrogèneH2secalculeparlarelation:EU=n.EH2LaquantitédematièrencorrespondantàunvolumeV(expriméenlitres)dedihydrogèneH2secalculeparlarelation:n=VVmDonnée:Levolumeoccupéparunemoledegazdanslesconditionsdel'expériencevaut24L;levolumemolaireVmestdoncégalà24L.mol-1.Protocoleexpérimental:"ReprendrelemontageexpérimentalduDoc.2.#Remplirdeuxéprouvettesgraduéesaveclasolutiondesulfatedesodium.&Retournezlestubessurl'électrolyseur,lesfermeraveclepouce(enmettantdesgants),puislesretournerau-dessusdesélectrodes.Lesmainteniravecunepincetoutenveillantàcequ'ellesnetouchentpaslefonddel'électrolyseur.'Déclencherlechronomètreaumomentoùlegénérateurestmisenfonctionnementetqu'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:í µ=í µ.âˆ†í µâ€¢ OùQ:chargeélectriqueenCoulomb(C)• í µ:intensitéducourantélectrique• âˆ†í µ :duréedefonctionnementdugénérateurenseconde(s)LachargeélectriqueQ,lorsd'uneélectrolyse,estliéeàlaquantitéd'électronsmiseenjeudansunedemi-équationparlarelation:í µ=í µí µ!.í µ3. Problèmeàrésoudre:Julessedécideàlancersonentreprise.Elles'appelleraNewfueletproduiraledihydrogènenécessaireauxvéhiculesfonctionnantaveccecarburant.Aprèsavoirtrouvéc ommentprod uirecedihydrogène,Jules souhaiter aitbienévidemmentquesonentreprisesoitrentable.Pourcela,ildoitêtrecapabledeproduire20m3dedihydrogèneparjour.Ilaàsadispositionungénérateurcapablededébiteruncourantde2,0kA.Julesdoit-ilchangerdegénérateur?Exprimerlerendementdel'électrolyseurenfonctionduvolumeVdedihydrogèneproduit,duvolumeQ1.molaireVm,de l'énergieEH2nécessairepourobtenirunemol ededihydrogè ne,delatensionU,del'intensitéIducourantetdeladurée∆tdel'électrolyse.Déterminerlavaleurdurendementrdel'électrolyseur.Q2.Questions