Physique, production dihydrogène par électrolyse, concours Geipi Polytech 2022.

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Le dihydrogène est un vecteur énergétique qui pourrait avantageusement remplacer les carburants carbonés, puisqu’il est sans émission de gaz à effet de serre. Cependant, il n’en existe pas de sources naturelles significatives et il est donc nécessaire de le fabriquer pour envisager son utilisation. Les modes de production actuels du dihydrogène reposent essentiellement sur le traitement thermochimique de produits pétroliers, qui produisent notamment du dioxyde de carbone. Une voie alternative d’obtention du dihydrogène consiste à réaliser l’électrolyse de l’eau.
1- Représenter le schéma de Lewis de la molécule d’eau.

 L’électrolyse vise à réaliser la transformation inverse de la synthèse de l’eau : H2 (gaz) + ½ O2 (gaz) = H2O(liquide).
 Cette transformation ne peut avoir lieu spontanément. Pour la forcer, de l’énergie est apportée par un générateur permettant d’imposer un courant et de maintenir son intensité I constante. Le montage de principe est schématisé ci-dessous.
 II-2- L’électrolyte est constitué d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium : NaOH, à la concentration 0,50 mol.L-1. Déterminer le pH de l’électrolyte.
[H3O+] = 10-14 / [HO- ] = 10-14 / 0,5 =2 10-14 mol / L
pH = -log(2 10-14)=13,7.
 II-3- Compléter le schéma en indiquant par des flèches :
a. Le sens du courant qui traverse le circuit.
b. Les sens de déplacement des différents ions en solution..

 Lors du fonctionnement de l’électrolyseur, il se produit des dégagements gazeux sur chacune des deux électrodes, dûs aux transformations électrochimiques suivantes :
a) 4 H2O + 4 e- --> 2 H2 + 4 HO-
b) 4 HO- --> O2 + 2 H2O + 4 e-
II-4- Préciser, pour chaque électrode, sa polarité, la nature du gaz dégagé et le type de transformation électrochimique (oxydation ou réduction) qu’il s’y produit.
Réduction de l'eau en dihydrogène à la cathode négative.
4 H2O + 4 e- --> 2 H2 + 4 HO-
Oxydation de l'eau en dioxygène  à l'anode positive.
4 HO- --> O2 + 2 H2O + 4 e-
 II-5-a- Exprimer la quantité d’électricité Q (en C) mise en œuvre au cours de l’électrolyse en fonction de l’intensité I (en A) du courant et de la durée Dt (en s) de l’électrolyse.
Q = I Dt.
II-5-b- Exprimer la quantité n(H2) (en mol) produite en fonction de Q.
Quantité de matière d'électrons n(e-) = Q / F.
n(H2) = 0,5 n(e-) = 0,5 Q / F.
 II-5-c- Calculer la quantité n(H2) produite lors d’une électrolyse menée à intensité constante I = 2,0 A pendant 50 minutes.
Q = 2,0 x 50 x60 =6,0 103 C.
n(H2) =0,5 x6,0 103 / 96500 =0,031 mol.
 II-6- Cocher le graphe représentant, à température T et pression P constantes, l’évolution du volume V de H2 dégagé en fonction du temps t.
Loi des gaz parfaits PV = n(H2)RT ;
V = n(H2)RT / P.
n(H2) =0,5 Q / F = 0,5 I Dt / F.
A P et T constants, V est proportionnel au temps t.

 II-7- Quelle masse d’eau faut-il électrolyser pour obtenir une tonne (soit 1000 kg) de dihydrogène ?
n(H2 ) =1,0 106 / M(H2) =1,0 106 / 2 = 5,0 105 mol.
 H2O(liquide) = H2 (gaz) + ½ O2 (gaz).
n(eau) = n(H2 ) =5,0 105 mol.
Masse d'eau = 5,0 105 M(H2O) = 5,0 105 x18 =9,0 106 g = 9,0 tonnes.
 



  
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