La pile à hydrogène une alternative intéressante énergétiquement pour les automobiles ?

G

+ -

Eau

i e-

La pile à hydrogène une alternative intéressante énergétiquement pour les automobiles ?

Pré-étude théorique Correction

II. L’électrolyse de l’eau :

Dans une électrolyse, on force une réaction chimique (non spontanée) en faisant parcourir, à travers le système, un courant électrique.

Voici le montage que vous réaliserez en TP : 1. Sur ce montage, représenter le sens du courant électrique, ainsi que le sens de déplacement des électrons.

2. Rappeler les définitions d’une oxydation et d’une réduction.

Une oxydation est une réaction au cours de laquelle, il y a production d’un oxydant. De plus un oxydant est une espèce capable de capter un ou plusieurs électrons

Une réduction est une réaction au cours de laquelle, il y a production d’un réducteur. De plus un réducteur est une espèce capable de libérer un ou plusieurs électrons

3. L’anode est l’électrode où se produit l’oxydation. La cathode est l’électrode où se produit la réduction.

En raisonnant sur le sens de parcourt des électrons, prévoir où se produira l’oxydation. En déduire où se trouve l’anode et la cathode sur le schéma.

L’oxydation est l’électrode qui produit un oxydant. Comme les électrons sont toujours du côté de l’oxydant, à l’anode, il y a production d’électrons.

La cathode est l’électrode qui produit un réducteur. Comme les électrons sont toujours du côté de l’oxydant, à la cathode, il y a absorption d’électrons

d’électrons.

4. Les couples intervenants dans cette électrolyse sont les suivant : O 2 (g) / H 2 O (l) ; H ⁺ (aq) / H 2 (g)

Ecrire les demi-équations intervenant dans cette électrolyse.

En déduire celle qui se produit à l’anode et celle qui se produit à la cathode.

O 2 (g) / H 2 O (l) 2 H 2 O (l) = O 2 (g) + 4 H ⁺ (aq) + 4 e ^- oxydation :

à l’anode

H ⁺ (aq) / H 2 (g) 2 H ⁺ (aq) + 2 e ^- = H 2 (g) réduction : cathode

5. Montrer que l’équation bilan associée peut se mettre sous la forme : 2 H 2 O (l) → 2 H 2 (g) + O 2 (g)

O 2 (g) / H 2 O (l) 2 H 2 O (l) = O 2 (g) + 4 H ⁺ (aq) + 4 e ^-

Anode Cathode

H ⁺ (aq) / H 2 (g) ( 2 H ⁺ (aq) + 2 e ^- = H 2 (g) ) x2

___________________________________

2 H 2 O (l) + 4 H ⁺ (aq)  O 2 (g) + 4 H ⁺ (aq) + 2 H 2 (g)

En simplifiant :

2 H 2 O (l)  O 2 (g) + 2 H 2 (g)

6. Cette électrolyse produira « deux fois plus de dihydrogène que de

dioxygène » ou « deux fois plus de dioxygène que de dihydrogène» ? Justifier.

III. Aspect énergétique :

D’un point de vue énergétique, on peut déterminer l’énergie à apporter, par mole d’avancement de la réaction, à l’eau pour réaliser cette réaction (forcée).

Pour réaliser cette évaluation, nous allons tout d’abord calculer la chaleur de réaction (énergie molaire de réaction) de cette transformation : l’énergie apportée au système pour réaliser une mole d’avancement de cette réaction.

Si cette chaleur de réaction est positive, cela implique que le système reçoit de l’énergie de l’extérieur (c’est notre cas). On dit alors que la réaction est

endothermique.

Pour cela, nous allons nous intéresser aux liaisons cassées et formées au cours de cette réaction.

1. Donner les formules développées de l’eau puis du dioxygène et enfin du dihydrogène.

Eau : H – O – H Dioxygène : O = O Dihydrogène : H – H

2. Réécrire l’équation de la réaction en utilisant les formules développées des molécules (n’oubliez pas les coefficients stœchiométriques).

2 H – O – H  O = O + 2 H – H

3. Justifier alors la phrase suivante : « pour 1 mol d’avancement de la réaction envisagée, il faut casser 4 mol de liaisons H-O, former 2 mol de liaisons H-H et former 1 mol de liaison O=O ».

4. Sachant que

« L'énergie de liaison A-B , notée D

, est l'énergie qu'il faut fournir à une mole

de molécule AB prise à l'état gazeux à 25° C, pour dissocier ses atomes (casser

la liaison) et obtenir une mole de A et une mole de B à l'état gazeux à 25° C. »

Et que :

Liaison Energie de liaison kJ.mol

H—H 432

O—H 462

O=O 493

Montrer que la chaleur de réaction, de la réaction suivante : 2 H 2 O (g) → 2 H 2 (g) + O 2 (g)

est :

Q = 491 kJ.mol ^-1 Q = 4 D O-H - D O=O - 2 D H-H

Q = 4 x 462 – 493 – 2 x 432 Q = 491 kJ.mol ^-1

5. Cependant l’équation bilan associée à l’électrolyse est :

2 H

O

→ 2 H

+ O

(l’eau est sous la forme liquide) Et non

2 H

O

→ 2 H

+ O

(l’eau est sous la forme gazeuse)

Ainsi la chaleur de réaction associée à l’électrolyse est la somme de la chaleur de réaction obtenue à la question précédente et l’énergie nécessaire pour faire passe les 2 mol d’eau nécessaire à l’avancement d’une mole de l’état liquide à l’état gazeux.

Or, on appelle chaleur latente de changement d’état, l’énergie qu’il faut fournir à une mole d’un corps pur pour lui faire subir le changement d’état considéré.

La chaleur latente de vaporisation (à 25°C) de l’eau est L

= 2438 kJ/kg.

5.a. Montrer que la chaleur latente de vaporisation (à 25°C) de l’eau est L vap = 43,9 kJ.mol ^-1

La valeur donnée est en kJ/kg, c’est donc une chaleur latente par unité de masse :

L

= Q m

Nous désirons une chaleur latente en kJ/mol, soit une chaleur latente par unité de quantité de matière :

L

= Q n

Or

L

= Q n = Q

m . m n

Soit

L

= Q m . M

Or pour l’eau

M(H 2 O) = 18,0 g/mol = 18,0.10 ^-3 kg/mol

On en déduit :

L

= 2438× 18,0.10

L

= 43,9 kJ / mol

5.b. Montrer alors que la chaleur de réaction de l’équation bilan associée à l’électrolyse est :

Q élect = 578,8 kJ.mol ^-1

Comme il faut passer l’eau de l’état liquide à gazeux, puis faire la réaction, on en déduit que :

Q élect = 2.L vap + Q

Le 2 provient du fait que dans la réaction, c’est 2 moles de H 2 O qui donne une mole de O 2 et deux moles de H 2

Q élect = 2 x 43,9 + 491

Q élect = 578,8 kJ/mol