tp electrolyse production de dihydrogène€¦ · le 9 janvier 2012 a été inaugurée la...
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Thème:L’eauSous-thème:Eaueténergie
TP:ELECTROLYSE:PRODUCTIONDEDIHYDROGENE
Ledihydrogèneestuncombustibleessentieldanslespiles à combustible. Il est actuellement produit parreformage des hydrocarbures. D’autres voies sontactuellement à l’étude pour une production moinscouteuseetplus«propre».
Le9janvier2012aétéinauguréelaplateformeMyrte(Mission hydrogène renouvelable pour l'intégrationau réseau électrique) en Corse, près d'Ajaccio.L'ambition de cette plateforme est de proposer unesolution de stockage d'électricité sous forme dedihydrogène et de dioxygène produits parélectrolysedel'eau.
Voustrouverezsurleblogdespécialitéunevidéointroductiveexpliquantenquoiledihydrogèneestuneénergied’avenir.
Problème:
Quelleestlamanièrelaplusproprepourproduiredudihydrogène?
Documentsmisàvotredisposition
! Documentn°1:Matérielàvotredisposition
• Electrolyseur• Générateurcontinu• 2multimètres+câblesélectriques• Solutiondesulfatedesodium(Na++𝑆𝑂!!!)à0,1mol.L-1• 2tubesàessai,2éprouvettesgraduées.• Buchettes,allumettes• Chronomètre
! Documentn°2:Montageexpérimentaldel’électrolysedel’eau
L’électrolyse de l’eau est une des méthodes desynthèse du dihydrogène. Les électrolyseurstransforment l’énergie électrique en énergiechimiqueavecuncertainrendement.
! Documentn°3:Donnéesdiverses
Lescouplesoxydant/réducteurmisenjeudansl’électrolysedel’eau:• H+/H2(g)• O2/H2O
! Documentn°4:Testsd’identificationdequelquesgaz
Gaztesté Procédure Observation
Dioxygène(O2)Présenterunebûchetteéteintemaisencoreincandescente L’allumetteserallume
Dihydrogène(H2) Présenteruneflamme Détonation
Travailàeffectuer
1. Etudequalitative
Protocoleexpérimental:
"Introduire200mLdesolutiondesulfatedesodium(2Na+(aq)+SO42‒
(aq)),àlaconcentrationde1,0mol.L–1,dansl’électrolyseur#Remplirdeuxtubesàessais,numérotés$et%,aveclasolutiondesulfatedesodium.Lesboucheravecvotrepoucemunidegants&Retournezlestubessurlesélectrodesdel’électrolyseur(sipossibleaucunebulled’airnedoitapparaitredanslestubes).'RéalisezlemontageexpérimentalduDOC.2.(Réglezlegénérateurdetensioncontinueenvironsurlavaleur12Vetlelaisserdébiterpendantenvironsixminutes.)Observez:comparezlesvolumesdesgazcontenusdanscestubes.*Eteindrelegénérateurlorsquel’undestubesestremplidegaz.+ Boucher le tube$ à l’aide de votre pouce avant de le sortir de l’électrolyseur puis le retourner etapprocherlaflammed’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’unélectrolyseur
Lorsqu’unélectrolyseurestalimentéparungénérateurdélivrantune tensionU (expriméeenvolts), il estparcouruparuncourantd’intensité I(expriméeenampères).L’énergieWE totalereçuepar l’électrolyseur(expriméeenjoules)pendantunedurée∆t(expriméeensecondes)est:
WE=U.I.∆tUnepartiedecetteénergieestutiliséepourdissocierl’eauetdoncproduiredudihydrogène(c'estl'énergie«utile»);leresteestdissipésousformedechaleurpareffetJoule.Ondéfinitlerendementénergétiquerdel’électrolyseur,commelerapportentrel’énergieutileetl’énergietotalereçue:
r=énergieutile
énergietotalereçue
! Documentn°6:Énergieutilepourproduiredudihydrogène
L'énergie nécessaire pour produire une mole de dihydrogène H2 à partir de l’électrolyse de l’eau estEH2=286kJ.mol-1.L’énergieutileEU(expriméeenjoules)permettantdeproduireunequantitédematièrendedihydrogèneH2secalculeparlarelation:EU=n.EH2LaquantitédematièrencorrespondantàunvolumeV(expriméenlitres)dedihydrogèneH2secalculeparlarelation:n= V
Vm
Donnée:Levolumeoccupéparunemoledegazdanslesconditionsdel’expériencevaut24L;levolumemolaireVmestdoncégalà24L.mol-1
.Protocoleexpérimental:
"ReprendrelemontageexpérimentalduDoc.2.#Remplirdeuxéprouvettesgraduéesaveclasolutiondesulfatedesodium.&Retournezlestubessurl’électrolyseur,lesfermeraveclepouce(enmettantdesgants),puislesretournerau-dessusdesélectrodes.Lesmainteniravecunepincetoutenveillantàcequ'ellesnetouchentpaslefonddel'électrolyseur.'Déclencher le chronomètreaumomentoù legénérateurestmisen fonctionnementetqu'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:
𝑄 = 𝐼.∆𝑡
• OùQ:chargeélectriqueenCoulomb(C)• 𝐼:intensitéducourantélectrique• ∆𝑡 :duréedefonctionnementdugénérateurenseconde(s)
LachargeélectriqueQ,lorsd’uneélectrolyse,estliéeàlaquantitéd’électronsmiseenjeudansunedemi-équationparlarelation:
𝑄 = 𝑛 𝑒! .𝐹
3. Problèmeàrésoudre:Julessedécideàlancersonentreprise.Elles’appelleraNewfueletproduiraledihydrogènenécessaireauxvéhiculesfonctionnantaveccecarburant.Après avoir trouvé comment produire ce dihydrogène, Jules souhaiterait bien évidemment que sonentreprisesoitrentable.Pourcela,ildoitêtrecapabledeproduire20m3dedihydrogèneparjour.Ilaàsadispositionungénérateurcapablededébiteruncourantde2,0kA.Julesdoit-ilchangerdegénérateur?
Exprimerlerendementdel’électrolyseurenfonctionduvolumeVdedihydrogèneproduit,duvolumeQ1.molaire Vm, de l'énergie EH2 nécessaire pour obtenir une mole de dihydrogène, de la tension U, del'intensitéIducourantetdeladurée∆tdel'électrolyse.
Déterminerlavaleurdurendementrdel’électrolyseur.Q2.
Questions