ENJEUX ENERGETIQUES 2 – Production de dihydrogène par électrolyse de l’eau 2nde SL
Contexte : L’électrolyse de l’eau est une des voies de synthèse du dihydrogène qui peut ensuite servir de combustible non polluant. Elle est envisagée pour utiliser les surplus de production d’électricité. Les électrolyseurs transforment l’énergie électrique en énergie chimique.
I- Etude qualitative [Réa]
Réaliser le montage électrique du document 2 et faire vérifier au professeur.
Introduire 200 mL de solution de sulfate de sodium (2 Na+ + SO42-
) à 0,50 mol/L dans l’électrolyseur.
Remplir 2 tubes avec la même solution à laquelle ont-été ajoutées quelques gouttes de bleu de
bromothymol. Les retourner sur l’électrolyseur en les bouchant. Les déboucher au dessus des électrodes comme indiqué sur le doc.2 :
Régler le générateur de tension continue sur la valeur 12 V et laisser débiter pendant environ 5 minutes.
Noter l’évolution de la teinte de la solution dans les tubes 1 et 2 et comparer les volumes des gaz contenus dans ces tubes : [App]
Arrêter le générateur lorsque l’un des tubes est rempli de gaz.
Boucher le tube 1 avant de le sortir de la solution. Le retourner et le déboucher en présentant une allumette enflammée à son extrémité.
Boucher le tube 2 avant de le sortir de la solution. Le retourner et le déboucher en y introduisant une buchette incandescente dans sa partie supérieure.
Q1- Déduire des tests réalisés la nature du gaz contenu dans le tube 1 et celui présent dans le tube 2. [S]
Q2- Que traduisent les changements de couleur dans chaque tube ? [App]
Q3- a)Quel est le sens conventionnel du courant électrique dans le circuit ? [S]
A / mA
V COM
COM
Q3-b) Quel est le sens de déplacement des électrons dans le circuit ? [S]
Q4- Associer à chaque électrode la demi-équation électronique se produisant (relier). Puis équilibrer ces demi-équations et en déduire l’équation globale de fonctionnement de l’électrolyseur (Tous les électrons qui arrivent à une électrode doivent repartir de l’autre). [Ana-Réa]
Electrode reliée au – (tube 1) - -
… H
+(aq)+ … e
-= H
2(g)Electrode reliée au + (tube 2) -
- … H
20
(l)= 0
2(g)+ … H
+(aq)+ … e
-Equation bilan globale de l’électrolyse :
Q5- Les volumes respectifs des deux gaz obtenus sont-ils cohérents avec l’équation de cette réaction ? [Val]
Q6-Quels sont les porteurs de charge responsables du passage du courant dans la solution ? [App]
Q7-Recopier (en grand) le schéma du montage et y représenter le mouvement de tous les porteurs de charge mis en jeu : [Réa-Com]
II- Caractéristique de l’électrolyseur
Reprendre le montage du doc. 2 sans mettre les tubes au dessus des électrodes.
Régler la tension U appliquée aux bornes de l’électrolyseur aux valeurs indiquées dans le tableau et noter, à chaque fois, la valeur de l’intensité du courant I correspondante :
U (V) 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 6,0 I (mA)
Arrêter le générateur.
A l’aide du logiciel Regressi, tracer la courbe représentant U en fonction de I appelée caractéristique U-I de l’électrolyseur. [Réa]
Q8- L’équation de la caractéristique est-elle du type : [Val]
(a) U= E’+r.I où E’ (en V) et r (en ) sont des constantes positives.
(b) U= E –r.I où E (en V) et r (en ) sont des constantes positives.
(c) U= r.I où r (en ) sont des constantes positives.
Réaliser la modélisation sur Regressi et indiquer les valeurs des constantes : [Réa]
Q9- L’électrolyseur est-il un générateur ou un récepteur électrique ? [S]
III- Rendement de l’électrolyseur
Remplir deux tubes gradués avec la solution de sulfate de sodium. Les boucher et les retourner sur l’électrolyseur. Les déboucher et les fixer au dessus des électrodes (doc.2).
Démarrer l’électrolyse en déclenchant le chronomètre. Régler très rapidement le générateur de tension continue de façon à ce que la tension U aux bornes de l’électrolyseur soit voisine de 12V.
Noter l’intensité I0 du courant obtenu et la valeur précise de la tension U :
Arrêter l’électrolyse et le chronomètre après avoir recueilli un volume de dihydrogène égale à V(H2)= 10 mL.
Noter la durée t alors écoulée et le volume de dioxygène V(O2) obtenu :
Q10- L’électrolyseur reçoit qu’il convertit partiellement en énergie chimique stockée sous forme de dihydrogène. Compléter le document 3 en précisant la nature des énergies 1, 2 et 3 :
Le rendement r de l’électrolyseur est défini par la relation r=Energie utile/Energie reçue.
L’énergie électrique Eélec reçue (exprimée en Joule(J) ) a pour expression Eélec = U.I0.t (où U est exprimée en volts (V), I0 en Ampères (A), t en secondes (s)).
L’énergie chimique utile produite Echim (exprimée en Joules) est donnée par l’expression Echim = E’.I0.t (où E’
est exprimée en volts (V), I0 en Ampères (A), t en secondes (s)).
Q11- Déterminer le rendement de l’électrolyseur et conclure.
