Terminales Scientifiques. Exercice de spécialité

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1 Date 2013 Terminales Scientifiques ÉPREUVE de Physique-Chimie Exercice de spécialité Durée : 1 h10 La clarté des raisonnements et la qualité de la rédaction interviendront pour une part importante dans l appréciation des copies. L usage de la calculatrice est autorisé. Le sujet comporte un exercice présenté sur 5 pages, y compris celle-ci. Les parties chimies-physique spécifique et spécialité doivent être rendues séparément. ATTENTION Les feuilles annexes situées en fin de sujet sont à rendre avec la copie avec NOM et PRENOM 1

2 Le dispositif éolien-dihydrogène d Utsira : une île qui produit son énergie Document 1 : Une île qui produit son énergie À Utsira, une île située au Sud-Ouest de la côte norvégienne, un projet de démonstration met en œuvre la plus importante unité de génération éolienne-dihydrogène autonome du monde. Précédemment les 230 habitants d Utsira étaient alimentés en électricité par le continent via un câble sous-marin de 18 kilomètres. L île d Utsira est un endroit idéal pour y utiliser l énergie éolienne : les vents y atteignent en moyenne 10 mètres par seconde. Le vent étant cependant parfois trop fort ou trop faible pour la production d électricité, il est donc essentiel de disposer d un moyen adapté de stockage de l électricité. Ce besoin sera couvert par le dihydrogène H2. Lorsque les conditions éoliennes sont bonnes, l électricité en surplus sera utilisée pour produire du dihydrogène H2 par électrolyse. Quand une énergie supplémentaire sera requise, elle sera fournie par une pile à combustible à dihydrogène H2 et un groupe électrogène à combustion de dihydrogène. Au côté de l éolienne est utilisé un électrolyseur qui transforme l eau de mer, dessalée, en dihydrogène H2 lorsque l énergie produite par les éoliennes n est pas totalement consommée. Le dihydrogène synthétisé par électrolyse est liquéfié et stocké dans un réservoir de 12 m3 sous la pression de 200 Bar, et peut contenir moles de dihydrogène. Les éoliennes produisent une puissance de 1200 kilowatt. L électrolyseur consomme une puissance de 50 kilowatt et peut produire 446 moles de dihydrogène H2 par heure. Quand une énergie supplémentaire sera requise, elle sera fournie par une pile à combustible à dihydrogène H2 et un groupe électrogène à combustion de dihydrogène. Les piles à combustibles font l inverse de l électrolyse : elles transforment le dihydrogène H2 et le dioxygène O2 de l air en électricité et développent une puissance de 10 kilowatt. Une pile à combustibles est composée de plusieurs dizaines de cellules élémentaires. Dans certaines conditions d utilisation, on peut considérer que le courant délivré par la pile est constant et a une valeur I= 200 A. En outre, un moteur du groupe électrogène fonctionne grâce à la combustion de dihydrogène H2 qui permet de produire une puissance de 55 kilowatt. Il peut prendre le relais de la pile à hydrogène. Document 2 : schéma du dispositif 2

3 Document 3 : Qu est-ce qu un couple oxydant/réducteur et une réaction d oxydoréduction? Deux espèces chimiques Ox et Red sont dites conjuguées et forment un couple rédox Ox/Red si elles peuvent être reliées par la demi-équation rédox : Réduction 𝐎𝐱 + 𝐧 𝐞 𝐑𝐞𝐝 Oxydation Une réaction qui met en jeu un transfert d électrons e entre ces réactifs est une réaction d oxydoréduction, ou réaction rédox. Son équation est établie en combinant les demi-équations redox de façon à ce que les électrons n apparaissent pas dans le bilan : 𝐧𝟐 (𝐎𝐱 𝟏 + 𝐧𝟏 𝐞 𝐑𝐞𝐝𝟏 ) 𝐧𝟏 (𝐑𝐞𝐝𝟐 𝐎𝐱𝟐 + 𝐧𝟐 𝐞 ) 𝐧𝟐 𝐎𝐱 𝟏 + 𝐧𝟏 𝐑𝐞𝐝𝟐 𝐧𝟐 𝐑𝐞𝐝𝟏 + 𝐧𝟏 𝐎𝐱 𝟐 Document 4 Données scientifiques: Dans les conditions habituelles d utilisation, les couples Ox/ Red à considérer sont : ü H+ (l)/h2 (g) équations d oxydoréduction associées : 2 𝐻 (") + 2 𝑒 𝐻 (") ü ou 𝐻 (") 2 𝐻 (") + 2 𝑒 O2 (g)/h2o(l) équations d oxydoréduction associées : 𝑂 () + 2 𝐻 (") + 2 𝑒 𝐻 𝑂() 𝐻 𝑂() 𝑂 () + 2 𝐻 (") + 2 𝑒 ou NA nombre d Avogadro : 6,02x1023 mol1 e est la charge élémentaire, 1,6x1019 C Dans une pile la charge débitée Q (en coulomb) est le produit de l intensité du courant I (en ampère) p ar la durée 𝑡 de fonctionnement (en secondes) : Q= I xδt 1) Compléter le tableau en annexe 1 afin de répertorier dans l ensemble éolien-dihydrogène de l ile d Utsira, les dispositifs produisant ou consommant de l énergie. 2) Justifier en quelques phrases que l ensemble du dispositif de l ile d Utsira possède un bilan carbone plutôt favorable et est respectueuse de l environnement, particulièrement en ce qui concerne le mode de production du dihydrogène H2. L équation de la réaction qui modélise la transformation chimique ayant lieu dans l électrolyseur est : 1 𝐻 𝑂() 𝐻 () + 0 () 2 3) Compléter l annexe 2 qui détaille le principe de fonctionnement d un électrolyseur. Vous donnerez : Le sens de circulation des électrons les demi-réactions d oxydoréduction ayant lieu aux électrodes le nom des demi-réactions, rayer la mention inutile Les noms des électrodes (anode ou cathode), rayer la mention inutile Le nom du gaz synthétisé à chaque électrode 3.a) 3.b) 3.c) 3.d) 3.e) 4) En vous servant du document 1, calculer le temps minimal nécessaire pour remplir le réservoir en dihydrogène H2 à l aide de l électrolyseur d Utsira. 3

4 L équation de la réaction qui modélise la transformation chimique ayant lieu dans la pile à combustible est : H () () H O () 5) Compléter le schéma de la pile à combustible en annexe où vous écrirez : 5.a) les demi-réactions d oxydoréduction ayant lieu aux électrodes 5.b) le nom des demi-réactions (oxydation ou réduction), rayer la mention inutile 5.c) Les noms des électrodes (anode ou cathode), rayer la mention inutile 5.d) le sens de circulation des électrons qui traverse la résistance en vert 5.e) La polarité des électrodes 5.f) Le sens conventionnel de circulation du courant dans qui traverse la résistance en bleu ou noir Pour la question ci-dessous, non guidée, dans l évaluation, il sera tenu compte de la démarche que le candidat adoptera pour répondre à la question. Même si l élève n arrive pas au résultat exact, des points seront tout de même octroyés, il est donc important de soigner les explications dans la manière d aborder cette question. 6) En utilisant la demi-équation d oxydation du dihydrogène H 2 (g) en ions hydrogène H + (aq) ainsi que le document 4 données scientifiques, montrer que le nombre de moles de dihydrogène H 2 (g) consommé par la pile à combustible est donné par la relation : n H = I t 2 N e Δt est la durée de fonctionnement de la pile à combustible (en seconde) I est la valeur de l intensité générée par la pile à combustible.( en ampère) e charge élémentaire en coulomb N A nombre d avogadro Un litre d eau liquide (ou 55,5 moles) peut se transformer par électrolyse en 55,5 moles de dihydrogène et 27,75 moles de dioxygène. 7) A partir du résultat théorique de la question 6 et du document 1, calculer la durée minimale de fonctionnement de la pile à combustible pour produire 1,00 L d'eau La réaction de combustion avec laquelle fonctionne le groupe électrogène est H () + 0 () H O (). Il s agit d une réaction exothermique qui libère 286 kj par mole de H 2 (g) consommée. 8) Le groupe électrogène qui fonctionne avec la combustion du dihydrogène peut produire 55,0 kw soit 55,0 kj/s car 1 Watt correspond à 1 Joule par seconde. Dans ce cas, quelle sera la durée de fonctionnement minimale du groupe électrogène pour produire 1,00 L d'eau soit 55,5 moles. 4

5 Annexe : NOM..Prénom..classe : A RENDRE AVEC L EXERCICE DE SPECIALITE Annexe 1 : COMPLETER LE SCHEMA Dispositif(s) qui consomme(nt) de l énergie Annexe 2 : COMPLETER LE SCHEMA Dispositif(s) qui produise(nt) de l énergie Annexe 3 : COMPLETER LE SCHEMA 5