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TP n°7 : Productions de dihydrogène.
Electrolyse de l’eau
I. Analyse de documents et résolution de problèmes : les productions de dihydrogène
1. Quels sont les principaux modes actuels de production du dihydrogène ? Doc 1 p 48 et 49
Pb 2 p 60
2. Quels sont les modes de production du dihydrogène du futur ? Doc 2 p 50 et 51
II. Travail expérimental : électrolyse de l’eau
L’électrolyse de l’eau est l’une des voies de synthèse du dihydrogène. Les électrolyseurs
transforment l’énergie électrique en énergie chimique. On se propose d’étudier le fonctionnement
de l’électrolyse et de déterminer le rendement associé à cette transformation énergétique.
1. Réaliser un montage permettant d’effectuer l’électrolyse d’une solution aqueuse de sulfate de
sodium (2 Na+ + SO4
2-
). On placera deux multimètres dans le montage, un voltmètre permettant
de mesurer la tension aux bornes de l’électrolyseur, un ampèremètre permettant de mesurer
l’intensité du courant électrique dans le circuit. Surmonter les électrodes de tubes à essais
remplis à ras bord d’eau dans lesquels on ajoutera également quelques gouttes de bleu de
bromothymol. Le B.B.T est un indicateur coloré de zone de virage [6-7,6], dont la couleur acide
est jaune et la couleur basique est bleue.
2. Lorsque le premier des deux tubes est rempli au 2/3 de gaz, arrêter l’électrolyse. Comparer les
volumes de gaz formés aux électrodes.
3. Faire un schéma du montage et représenter le mouvement de tous les porteurs de charge
responsables du passage du courant.
4. Les couples redox mis en jeu sont : H2O(l)/H2(g) et O2(g)/H2O(l). Ecrire les réactions aux électrodes et
préciser l’électrode où a lieu une réduction et l’électrode où a lieu une oxydation. Comment
interprétez-vous les couleurs prises par l’indicateur coloré au niveau de chaque électrode ?
Proposer des expériences permettant d’identifier la nature des gaz formés aux électrodes.
5. Ecrire l’équation traduisant le bilan global de l’électrolyse. Montrer que les volumes de gaz
formés aux électrodes sont dans un rapport en accord avec cette équation.
6. Retirer les tubes qui surmontent les électrodes et pour différentes valeurs de la tension U aux
bornes de l’électrolyseur, régulièrement espacées entre 0 et 6 V, mesurer l’intensité I du courant
dans le circuit. A l’aide d’un tableur, rechercher la modélisation la plus adaptée de la
caractéristique U=f(I) de l’électrolyseur.
7. Multiplier les deux membres de l’équation U=f(I) par I·∆t ; quel bilan énergétique voyez-vous
apparaître ? En déduire la chaîne énergétique associée à l’électrolyseur. Exprimer, pour une
tension U donnée, le rendement énergétique de l’électrolyseur.
8. Sachant que la dissociation d’une mole d’eau nécessite une énergie chimique de 282 kJ, proposer
un protocole expérimental permettant de retrouver le rendement de l’électrolyseur. On admet
que le volume occupé par une mole de gaz dans les conditions de l’expérience est Vm=24 L.mol-1
.
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I. Analyse de documents et résolution de problèmes : les productions de dihydrogène
1. Les principaux modes de production du dihydrogène sont :
Doc 1 p 48 et 49
- conversion du méthane :
étape 1 : CH4 + H2O -> CO + 3 H2 (endothermique)
étape 2 : vaporeformage : CO + H2O -> CO2 + H2 (exothermique)
- oxydation partielle d’un hydrocarbure lourd tel que le gazole, même principe :
Oxydation partielle : CnHm + n/2 O2 -> n CO + m/2 H2 (exothermique)
Puis vaporeformage : CO + H2O -> CO2 + H2 (endothermique)
- reformage autotherme : le carburant est mélangé avec de l’air et de l’eau ; le caractère
exothermique de l’oxydation partielle apporte l’énergie nécessaire au vaporeformage.
- L’électrolyse de l’eau pour produire du H2 de grande pureté.
Pb 2 p 60
4 types de production de dihydrogène sont présentés :
- Procédé 1 : électrolyse de l’eau : H2O -> H2 + 1⁄2 O2 :
- Procédé 2 : conversion du méthane : CH4 + H2O -> CO + 3 H2 puis CO + H2O -> CO2 + H2 ;
Soit un bilan : CH4 + 2 H2O -> CO2 + 4 H2
- Procédé 3 : réaction du gaz à l’eau : C + H2O -> H2 + CO puis CO + H2O -> H2 + CO2 ;
Soit un bilan : C + 2 H2O -> 2 H2 + CO2
- Procédé 4 : transformation de la biomasse : C6H9O4 + 2 H2O -> 6 CO + 13/2 H2
Puis CO + H2O -> H2 + CO2 soit un bilan C6H9O4 + 8 H2O -> 6 CO2 + 25/2 H2
Pour savoir lequel de ces procédés est le moins coûteux en énergie, il faut comparer leur besoin
énergétique pour la production de la même quantité de dihydrogène. Prenons 1 mole de H2.
Procédé 1 : 282 kJ/mole de H2 formé
Procédé 2 : 244/3=81 kJ/mole de H2 formé
Procédé 3 : 170 kJ/mole de H2 formé
Procédé 4 : 880×2/13=135 kJ/mole de H2 formé
La conversion du méthane est donc le procédé le moins coûteux énergétiquement.
L’électrolyse de l’eau ne libère pas de CO2, la conversion du méthane libère 1⁄4=0,25 de mole de CO2
par mole de H2 formée ; la réaction du gaz à l’eau produit 1⁄2=0,5 mole de mole de CO2 par mole de
H2 formée ; la transformation de la biomasse produit 12/25=0,48 mole de CO2 par mole de H2
formée.
L’électrolyse de l’eau paraît le procédé le plus écologique à condition que l’électricité nécessaire à
son fonctionnement ait été produite proprement, sans production de CO2 ni de déchets nocifs.
2. Quels sont les modes de production du dihydrogène du futur ? Doc 2 p 50 et 51
La bio-production de H2, la transformation de la biomasse, la photo électrolyse s’inscrivent dans le
cadre du développement durable.