Aurélie 02/06
 

Stockage d'énergie ( concours Centrale 02 ; X 04 )

aluminium : source d'énergie ; magnésium utilisé comme combustible ( chauffe plat chimique)

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Stockage d'énergie :

 Données à 298 K : enthalpie standard de formation de H2O(l): -285,8 kJ/mol ; de l’oxyde d’aluminium Al2O3(s) :-1676 kJ/mol ; masse molaireM(Al )= 27 g/mol

L’aluminium réagit sur l’eau en donnant un dégagement de dihydrogène et de l’oxyde d’aluminium.

  1. Écrire la réaction avec pour coefficient stoechiométrique du métal égal à 1.
  2. Calculer la chaleur dégagée par 1 kg d’aluminium réagissant sous pression et température constantes.
  3. Peut-on envisager de stocker l’énergie sous forme d’aluminium solide sachant que le pouvoir calorifique des carburants commerciaux usuels est de l’ordre de 42 106 J/kg ?
corrigé
Al (s) +1,5 H2O(l) = ½Al2O3 (s) +1,5 H2 (g)

Chaleur produite = variation d'enthalpie de la réaction = DrH

DrH = ½DfH (Al2O3) + 1,5 DfH (H2) - DfH (Al)-1,5DfH (H2O)

Les enthalphies de formation des corps simples sont nulles d'où : DrH = ½DfH (Al2O3) -1,5DfH (H2O)

DrH =0,5*(-1676)-1,5*(-285,8) = -838+428,7 = -409,3 kJ/mol

Quantité de matière dans 1000g d'aluminium (mol) = masse (g) / masse molaire (g/mol) = 1000/27 = 37,0 mol

Quantité de chaleur produite par 1 kg d'Al réagissant sur l'eau : 37*(-409,3)= -1,52 104 kJ/kg.

pouvoir énergétique massique de l'aluminium / pouvoir calorifique des carburants = 1,52 104 / 4,2, 104 voisin 0,3.

Ajoutons que le dihydrogène formé est également un combustible ; par contre l'aluminium est un métal couteux à produire.

Le magnésium, combustible d’un chauffe-plat chimique (concours X 04).

Le magnésium constitue le combustible d’un chauffe-plat chimique breveté aux U.S.A en 1981 et représenté sur la figureci-dessous :

L’élément chauffant est constitué par une fine grenaille de magnésium (incorporant 5% de fer) dispersée parmi des billes de polyéthylène haute densité ; le tout est placé dans un sachet poreux fixé au fond d’un bac sur lequel vient s’adapter le plateau repas à chauffer. La mise en marche s’opère par addition d’eau salée dans le bac. On réchauffe le plateau-repas en moins de 15 minutes.

L’ajout d’eau salée au solide contenu dans le sac poreux se traduit par une forte effervescence s’accompagnant rapidement d’un échauffement notable et d’un dégagement de vapeur. On peut vérifier que les bulles de gaz qui se dégagent sont inflammables. Quand l’opération est terminée on constate que la grenaille métallique a disparu et qu’elle fait place à une bouillie blanche (hydroxyde de magnésium) dispersée sur les billes de polyéthylène.

  1. Déduire des observations précédentes l’équation-bilan de la réaction modélisant la transformation réalisée dans l’élément chauffant.
  2. Déterminer l’enthalpie standard de cette réaction à 298 K à l’aide des données du tableau ; comparer sa valeur à celle de la réaction du sodium avec l’eau.
    espèce
    Mg(OH)2 (s)
    H2O(l)
    Na+(aq)
    HO–(aq)
    Enthalpie standard de formation (kJ.mol–1)
    -924
    -286
    -240
    -230
    Des deux métaux étudiés, quel est celui qui conduit à la réaction la plus exothermique
    - pour le même nombre de moles de métal consommé ?
    - pour le même nombre de moles d’électrons échangés ?
    Pour quelle raison n’utilise-t-on pas le sodium dans ce type de dispositif chauffant ?
corrigé
Mg (s)+2 H2O(l) = Mg(OH)2 (s) + H2(g)

DrH = DfH (Mg(OH)2 ) + DfH (H2) - DfH (Mg)-2DfH (H2O)

Les enthalphies de formation des corps simples sont nulles d'où : DrH = DfH (Mg(OH)2 ) -2DfH (H2O)

DrH = -924-2(-286) = -352 kJ/mol

Na(s) + H2O(l) = Na+(aq) +HO–(aq) +½ H2(g)

DrH = DfH (Na+ ) + fH (HO– ) + ½DfH (H2) - DfH (Na)-DfH (H2O)

Les enthalphies de formation des corps simples sont nulles d'où : DrH =DfH (Na+ ) + fH (HO– ) -DfH (H2O)

DrH =-240-230-(-286)= -184 kJ/mol.

La réaction du magnésium sur l'eau est la plus exothermique par mole de métal. Mais elle met en jeu deux moles d'électrons par mole de métal ( 352/2 = 156 kJ/mol d'électrons. C'est le contraire par mole d'électrons mis en jeu.

La réaction du sodium avec l'eau étant violente, ce dernier n'est pas utilisé.
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