TP TRANSVERSAL: CHIMIE:

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT: ENERGIE ELECTRIQUE FOURNIE PAR LE GENERATEUR ENERGIE CHIMIQUE ELECTROLYSEUR EQUATIONS CHIMIQUES MISES EN JEU: O2 H2 Oxydation: ANODE 2 H2O O2 + 4e- + 4H+ 2 e- + 2H+ H2 Réduction: CATHODE Equation globale de la réaction: 2 H2O 2 H2 + O2

PREMIERE PARTIE: L’ELECTROLYSE: SCHEMA DU MONTAGE: H 2 O ELECTROLYSEUR GENERATEUR Production de O2 H2 H2O Production de H2

ANODE e- CATHODE G Pt Pt O2 H2 H2O H2O Polarisation !

NE PAS DEPASSER 2 AMPERES!! OBSERVATIONS: ! Tension à partir de laquelle on observe une production de gaz: NE PAS DEPASSER 2 AMPERES!! U = 3.10 V soit I = 0.313 A Mesures de l’Intensité pour différentes tensions appliquées: I(A) I (A) U(V) 0,313 3,1 0,572 3,2 0,866 3,3 1,144 3,4 1,413 3,5 1,744 3,6 2,023 3,7 U(V)

NE PAS DEPASSER 2 AMPERES!! OBSERVATIONS: ! Tension à partir de laquelle on observe une production de gaz: NE PAS DEPASSER 2 AMPERES!! U = 1.5V Mesures de l’Intensité pour différentes tensions appliquées: I(A) U(A) 0,157 1,55 0,286 1,53 0,436 1,6 0,572 1,7 0,707 1,75 0,87 1,82 1,012 1,85

En 1 minute, à U = 3, 70 V, Volume de H2 produit = 30 mL CALCUL DU RENDEMENT: En 1 minute, à U = 3, 70 V, Volume de H2 produit = 30 mL RENDEMENT = Energie fournie/ Energie reçue = Energie Chimique/ Energie Electrique Puissance Electrique: P = U. I = 3,70 . 2.023 = 7,49 W D’où Energie Electrique = P . t = 7,49 . 60 = 449 J Pour 0.5 O2 + 2H+ + 2 e- H2O Eo= + 1.23 V Pour 2H+ + 2 e- H2 E0 = 0.00 V Eo = 1.23 V

Rendement: E chimique/ E elec = 357/449 = 83% H° = -286 KJ/ mol nH2 = PV/ RT = (30. 10e-6 . 1,01325 . 10e 5) / (8,314 . (20+273)) = 1,248. 10e -3 mol E chimique = H° . n H2 = -286.10e 3 . 1,248.10e -3 = -357 J Rendement: E chimique/ E elec = 357/449 = 83%

= 396.9 J Puissance Electrique: P = U. I = 1.24 W pour I=0.5 A CALCUL DU RENDEMENT: I=0.5 A Eo = 1.23 V I=1.5 A t(min) O2(ml) H2(ml) 2,5 3,5 30 3 4 1 4,5 7 1,3 6 9 2 11 8 13 15 10 17 19 t(min) O2(ml) H2(ml) 4 15 5 6 30 9 45 7 11 60 14 1,15 10 18 1,3 12 21 Puissance Electrique: P = U. I = 1.24 W pour I=0.5 A P = U. I = 4.41 W pour I=1.5 A D’où Energie Electrique = P . T = 298.3 J = 396.9 J

= 51.3% pour 1.5 A Rendement: E chimique/ E elec = 62.2% pour 0.5 A H° = -286 KJ/ mol nH2 = PV/ RT = (30. 10e-6 . 1,01325 . 10e 5) / (8,314 . (20+273)) = 6.49. 10e -4 mol E chimique = H° . n H2 = -286.10e 3 . 1,248.10e -3 = -298.3 J = -203.6J Rendement: E chimique/ E elec = 62.2% pour 0.5 A = 51.3% pour 1.5 A Une grande intensité permet une grande vitesse de réaction, mais un moins bon rendement.

Rendement satisfaisant mais Quelles peuvent être les pertes?? A quoi peuvent-elles être dues??

Pour minimiser la chute ohmique: Normalement à vide, on devrait avoir besoin d’une tension E= Eo = +1,23 V pour faire fonctionner l’electrolyseur, or le Dihydrogène n’est produit qu’à partir de 3,10 V environ. Pour quelles raisons? Pertes par Effet Joule dues à la résistance du circuit. Chute Ohmique dans l’Electrolyte telle que R = ρ.l /S. Pour minimiser la chute ohmique: Choisir deux milieux très conducteurs: ρ faible. Grande Surface: S important. Distance faible : l petit. Chute Ohmique: Résistance ohmique de la cellule Electrochimique, fonction de la résistivité de la cellulle, de sa surface et de la distance entre les « électrodes ».

Des bulles d’Oxygène se fixent sur les électrodes, de ce fait, un plus grand apport d’énergie est nécessaire pour les en « arracher », c’est pourquoi l’Electrolyse ne fonctionne qu’à partir de 3,10V et non pas 2, 46 V (= 2 Eo du couple) . Comparaison des deux électrolyseur: Un est équivalent à la mise en série de deux des autres électrolyseurs, d’où une tension limite à 4 V et non 2V, un rendement plus important mais une tension nécessaire au fonctionnement deux fois plus importante: 3V. Utilisation du platine: Inerte chimiquement, très cher…. Info utile: Présence d’une diode qui permet au courant de ne passer que dans un sens pour ne pas abimer le matériel. (!! Les élèves ont à leur charge le respect d’un ampérage inférieur à 2 A!!)

DEUXIEME PARTIE: LA PILE A COMBUSTIBLE: SCHEMA DU MONTAGE: ENERGIE ELECTRIQUE H2 PILE A COMBUSTIBLE H2O TENSION U (V) INTENSITE I (A) O2

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT: PILE A COMBUSTIBLE ENERGIE CHIMIQUE FOURNIE PAR L’ELECTROLYSEUR ENERGIE ELECTRIQUE EQUATIONS CHIMIQUES MISES EN JEU: I (A) U(V) O2 + 4e- + 4H 2 H2O Réduction: CATHODE H2 2 e- + 2H+ Oxydation: ANODE Equation globale de la réaction: 2 H2 + O2 2 H2O