[PDF] [PDF] Préparation des Olympiades de la Chimie 2018-2019 Chimie et

PréparationdesOlympiadesdelaChimie2018-2019ChimieetEnergieTP:ElectrolyseetPileàcombustibleCORRECTIONII.1ObjectifsduTPPileàcombustiblePEMFCPileàcombustibleduTPElectrodesenplatineLavetteseninoxElectrolyte(membraneenNafion)RôledeséparationdesélectrodesPapierfiltreRôledeconductiondesionsSolutiondesulfatedesodiumII.2Productiondedihydrogèneetdioxygèneparélectrolysedel'eauQuestionsdel'Annexe6(distribuéàlafindelapartieII.Electrolyse)@Qu'avez-vousobservéàl'électrodereliéeàlabornepositivedugénérateur?(couleurs,effervescence?)Etàl'électrodereliéeàlabornenégative?Effervescencedesdeuxcôtés- borne+:lasolutionestjaune- borne-:lasolutionestbleue@Endéduiredesinformationsconcernantlesproduits/réactifsdesréactionsayantlieuàlasurfacedechacunedesélectrodes.Effervescence=>productiondegaz- borne+:BBTjaunedonclepHdiminue=>productiond'ionhydrogène(H+)- borne-:BBTbleudonclepHaugmente=>consommationd'ionsH+@Ecrirelesdemi-équationscorrespondantauxdeuxélectrodes,sachantquelescouplesmisenjeusontlessuivants:O2(g)/H2O(l)etH+(aq)/H2(g)- borne+:2H2O(l)=O2(g)+4H+(aq)+4e-- borne-:2H+(aq)+2e-=H2(g)@Quellelavetteestuneanode,quellelavetteestunecathode?Anode:oxydation:2H2O(l)=O2(g)+4H+(aq)+4e-:productiondegazetdeH+,lepHdiminuedoncc'estlalavettereliéeàlaborne+dugénérateurCathode:réduction:x2(2H+(aq)+2e-=H2(g)):productiondegazetconsommationdeH+,lepHaugmentedoncc'estlalavettereliéeàlaborne-dugénérateur@Retrouverl'équationglobaledel'électrolyseencombinantcesdeuxdemi-équations.Onretrouvel'équation-bilan:2H2O(l)=O2(g)+2H2(g)@Quelestl'intérêtdelavettesparrapportàdesplaquesoudestigesmétalliques?Lesintersticespermettentdepiégerlesbullesdegaz.

comvV@Faireunschémalégendédel'expériencelorsquel'électrolyseurestenfonctionnement.pincecrocodilesolutionbleuesolutionjaune(Na2SO4+eau+BBT)(Na2SO4+eau+BBT)bullespapierfiltrebécherlavetteinox@Proposerdesaméliorationsauprotocoleproposé.Utiliserdesélectrodesaumaillageplusfinpourmieuxpiégerlesgaz.Utiliserdescellulesétanchesetrésistantesàlapressionpouréviterl'échappementdesgazII.3Pileàcombustible@Envousaidantdesdocumentsdonnésenannexes,proposerunprotocolepermettantdedéterminerexpérimentalementcesgrandeursphysiques.Pourdéterminerlaf.e.m.,onplaceunvoltmètreauxbornesauxbornesdelapile.f.e.m=1,55VPourdéterminerlerendement:1) ilfautcalculerl'énergiereçueaucoursdel'électrolyse.Ereçue=U.I.Dt(carUetIsontconstante)UenV,IenAetDtensOnmesureI=0,78AetDt=5minEreçue=5,1x0,78x(5x60)=1,2.103J2) Ilfautcalculerl'énergiequepeutfournirlapile.Onréaliselebranchementdelapileensérieavecunmoteurouunerésistancede12W.Onmesurealorslatensionetl'intensitéaucoursdutemps.1èreméthode:Oncalculelamoyennedelatensionetdel'intensitédélivréesparlapilependanttouteladécharge.U=0,50V;I=34mAetDt=240sEfournie=U.I.Dt=4,1Jr=!"#$%&'(!%(ç$(=(4,1/1,2.103)=0,34%6VACOMA+-IG

2èmeméthode:Ontracelapuissancefournieparlapile(P=U.I)enfonctiondutemps.Cettepuissancen'étantpasconstante(ellediminueaucoursdel'expérience)OnsaitqueE=PX Dtdoncondéterminel'énergiefournieencalculantl'airesouslacourbereprésentativedeP=f(t).Calculs:Puissanceàt=160s:-0,1596x160+33,584=8,0mWPuissanceàt=0s:-0,1596x0+33,584=33,58mWOncalcule:Efournie=(8,0x160)+((33,58-8,0)X160)/2=3328mJ=3,3J(airedurectanglede0à8mWetde0à160s)(airedutrianglede8mWà33,58mWetde0à160s)Lerendementenpourcentestalors:r=!"#$%&'(!%(ç$(=(3,3/1,2.103)=0,28%Onobtientunrendementtrèsfaible.Ceciestdû,entreautres:- àl'échappementdesgaz- auxpertespareffetJoulelorsdelacharge(électrolyse)Annexe3:LapileDaniell1-Surceschémareprésenterlesensconventionnelducourantélectriqueainsiquelesensdedéplacementdesporteursdecharge(électronsetions).y=-0,1596x+33,584020406080100120050100150200250300350Puissance(mW)Temps(s)P=f(t) 16033,588,0U(V)I(mA)t(s)1,5564,800,7449100,6945200,6643300,6340400,6139500,5837600,5536800,52341000,49321200,46291400,34221600,15102000,0532400,0322800,021,1320Zn2+,SO42-Cu2+,SO42-COMVBandepapieret(Na+(aq)+Cl-(aq))VSO42-SO42-I(courantélectrique)Na+Cl-I(courantélectrique)électrons

LatensionmesuréeparlevoltmètreestpositiveaveclaborneVduvoltmètreducôtédel'électrodeencuivredonclecuivreestlabornepositive.Danslefiletlalampe,lesélectronsvontduZnversCu,lesensducourantestdoncdeCuversZn.Danslessolutionsetdanslepontsalin,lescations(ionspositifscommeNa+)circulentdanslesensducourantélectriquedoncdeZnversCu(lecourantformeuneboucle)etlesanions(ionsnégatifscommeCl-)circulentdanslesenscontraireducourantélectriquedoncdeCuversZn.Remarque:Cesdéplacem entsd'ionspermettentdeconserverl' électroneutrali tédessolutionspuisquelesionsNa+sedépl acentversl'électrodedecuivreoùdesionsCu2+sontconsommésetlesionsCl-sedéplacentversl'électrodedezincoùdesionsZn2+sontproduits.2-Choisirparmilesdemi-équationssuivantescellesquiontlieuauxélectrodes:Cu2++2e-=CuCu=Cu2++2e-Zn2++2e-=ZnZn=Zn2++2e-Lesélectronsarriventverslecuivreetysontconsommés:Cu2++2e-=CuLesélectronsquittentlezincoùilssontproduits:Zn=Zn2++2e-3-Identifierl'anodeetlacathode.L'anodeestl'électrodesurlaquellealieul'oxydation(icileZinc,bornenégative)Lacathodeestl'électrodesurlaquellealieularéduction(icileCuivre,bornepositive)4-Quelestl'intérêtdupontsalin?Lepontsalinpermet:- lacirculationdesionspourpermettrelepassageducourantélectrique(circuitfermé).- deconserverl'électroneutralitédessolutions.LapileLeclanché(pilesaline)@Ecrirel'équationdelaréactionayantlieuàl'anode,sachantquelecouplemisenjeuestZn2+(aq)/Zn(s).Anode:OxydationZn(s)=Zn2+(aq)+2e-@Ecrirel'équationdelaréactionayantlieuàlacathode,sachantquelecouplemisenjeuestMnO2(s)/MnO(OH)(s)etquedesionshydrogènefontpartiedecettedemi-équation.Cathode:réductionMnO2(s)+H+(aq)+e-=MnO(OH)(s)Annexe4:Calculd'énergiemolairederéaction(Pourlesplusrapides)@Calculerl'énergiemolairedelaréactionsuivante:2H2O(g)→2H2(g)+O2(g)DE(g)=4D(O-H)-2D(H-H)-D(O=O)DE(g)=4x462-2x432-493DE(g)=491kJ.mol-1.Ilfautdoncfournir491kJ.mol-1pourréalisercetteréaction.@Calculeralorsl'énergiemolairedelaréactionsuivante:2H2O(l)→2H2(g)+O2(g)Onpeutdécouperlaréactionendeuxsous-réactions:2H2O(g)→2H2O(l)→2H2(g)+O2(g)DE(l)=2xLvapxM(H2O)+DE(g)avecM(H2O)enkg.mol-1pourajouterdeuxgrandeursdanslamêmeunité.DE(l)=2x2438x0,018+491DE(l)=579kJ.mol-1Ilfautdoncfournir579kJ.mol-1pourréalisercetteréaction.