Chapitre 01 (thème: eau) : Eau et énergie. Piles à combustible / Production de dihydrogène / Voiture à hydrogène I. La production de dihydrogène. 1. Comment fabriquer du dihydrogène? 2. Comment forcer une transformation : l électrolyse. Une électrolyse s effectue dans un électrolyseur comportant deux électrodes au contact d un électrolyte (solution ionique). Une électrolyse est une réaction d oxydoréduction forcée par un générateur de tension continue. Le sens du courant électrique et donc celui des électrons est imposé par le générateur. Lorsque la tension aux bornes de l électrolyseur est suffisante, il se produit des réactions électrochimiques aux électrodes. Exemple : Les cations positifs Cu ++ se dirigent vers la cathode, reliée à la borne négative du générateur. Ils progressent dans le sens conventionnel du courant. Les anions négatifs Br - progressent vers l'anode reliée à la borne positive du générateur. Ils se déplacent dans le sens inverse du sens conventionnel du courant. A la cathode, il y a réduction des cations positifs Cu ++, attirés par l'électrode reliée à la borne négative du générateur. Ils reçoivent des électrons négatifs amenés par le circuit extérieur à l'électrode inerte de graphite : Cu + + (aq) + 2 e - = Cu (s) Un dépôt de cuivre rouge se forme sur la cathode en graphite.
A l'anode, il y a oxydation des anions négatifs Br - attirés par l'électrode reliée à la borne positive du générateur. Ils cèdent des électrons à cette anode en graphite inerte : 2 Br - (aq) = 2 e - + Br 2 (aq) Au total : Cu + + (aq) + 2 Br - (aq) = Cu (s) + Br 2 (aq) (2) 3. Définir l électrolyse. Une électrolyse est une transformation d oxydoréduction forcée par un générateur de tension continue au cours de laquelle le système évolue dans le sens inverse de celui qui serait spontatément observé. L électrode à laquelle se produit l oxydation est appelée l anode ; elle est reliée au pôle + du générateur. L électrode à laquelle se produit la réduction est appelée la cathode; elle est reliée au pôle du générateur. 4. Electrolyse de l eau. Lors de l électrolyse de l eau, l énergie électrique apportée par un circuit extérieur provoque une réaction dont le bilan global est :
II. La pile et son fonctionnement. 1. Définition. Une pile électrochimique est un générateur qui transforme de l'énergie chimique fournie par une réaction d'oxydoréduction spontanée en énergie électrique. Une pile est composée de : Deux compartiments séparés appelés demi-piles contenant chacun une électrode (matériau conducteur, en général des métaux ou du carbone) et une solution électrolytique Un pont salin ou une paroi poreuse reliant les 2 demi-piles. Chaque demi-pile est composée des espèces d'un couple oxydant/réducteur. Souvent le couple est formé d'un ion métallique M n+ et du métal M. L'électrode alors constituée du métal M. 2. Schématisation. borne - pont salin borne + Métal M métal M - + M(s) M + (aq) M + (aq) M (s) Le premier membre est la borne négative. Le deuxième membre la borne positive. Frontière solution/solution au milieu assuré par le pont salin. Solution :M + solution M + On distingue les électrodes suivant la réaction qui a lieu à leur surface. Par définition : L anode est l électrode qui est le siège d une oxydation La cathode est l électrode qui est le siège d une réduction. 3. Mouvement des porteurs de charges. Les porteurs de charges sont des entités qui en se déplaçant, assurent le passage du courant. Lorsque la pile débite, les porteurs de charges sont de deux sortes : Dans le circuit extérieur à la pile, ce sont des électrons qui circulent dans les fils et les conducteurs de la borne - vers la borne. Dans le pont salin et dans les solutions, ce sont des ions qui se déplacent. Le mouvement des ions dans le pont salin permet aux solutions de rester électriquement neutres. Dans la demi-pile où se forment des cations (électrode négative), le pont salin apporte des anions et dans la demi-pile où les cations sont consommés (électrode positive) le pont salin apporte des cations. La pile est un circuit fermé, condition indispensable pour le passage du courant 4. Caractéristique électrique. La caractéristique d'une pile est : U PN = E r I. E est la force électromotrice (f.e.m) de la pile, mesurée en volt(v).e > 0 r est la résistance interne de la pile, mesurée en ohm ( ). Un voltmètre à une forte résistance donc l intensité débité I est faible U PN E Un voltmètre branché aux bornes de la pile hors circuit donne la force électromotrice E de la pile. 5. Capacité en charge de la pile. On appelle capacité de la pile, la quantité maximale d'électricité fournie par la pile : Q max = I. t max I : valeur de l intensité du courant constante, t la durée en seconde et Q en coulomb (C).
6. Comment relier les quantités de matière des réactifs à l intensité du courant? La quantité d électricité est Q = I t De même, la quantité d électricité correspond aux nombre d électrons mis en jeu multiplié par la charge e d un électron : Q = nbre d électrons e (avec e charge élémentaire) Si n est la quantité de matière d'électrons échangés (nombre de mole) pendant un temps t alors Q = n.na.e ou N A est le nombre d'avogadro (N A=6,02.10 23 mol -1 ) Le produit N A.e est appelé faraday et noté F : 1 F = N A.e = 6,02.10 23 x 1,6.10-19 = 96320 C.mol -1 On utilise souvent 1 F 96 500 C.mol -1 et Q = n. F
III. Un exemple de pile à combustible : la pile à hydrogène. La pile à hydrogène est un processus continu de conversion d'énergie chimique en énergie électrique. Il repose sur la réaction inverse de l électrolyse de l eau : la synthèse de l eau. Le bilan est le suivant : 2 H 2 + O 2 2 H 2O La réaction entre le dioxygène et le dihydrogène est très exothermique, c est-à-dire qu elle libère énormément d énergie ( 242 kj/mol). Le schéma d une pile à hydrogène est : Autre schéma : La force électromotrice (ou f.é.m.) d'une pile est la valeur de la différence de potentiel (d.d.p.) entre ses deux électrodes en circuit ouvert. La quantité maximale d'énergie (en coulomb C) délivrée par une pile est définie par la relation suivante : Q = I t Ou I (en ampères A) est l'intensité du courant fourni par la pile et t (en seconde s) la durée de fonctionnement de cette pile.