Physique chimie, comparaison de deux proc�d�s de production de dihydrog�ne. En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l’utilisation de Cookies vous proposant des publicit�s adapt�es � vos centres d’int�r�ts. .. .. . . .. .. ...... ... A. L’eau : une source de dihydrog�ne. A1. Approche historique. Depuis l’Antiquit�, l’eau est consid�r�e comme un �l�ment simple. Pour convaincre la communaut� des chimistes du contraire, Antoine-Laurent de Lavoisier organise, du 27 f�vrier au 1er mars 1785, des exp�riences devant une assembl�e compos�e de chimistes de l’Acad�mie et de personnalit�s. Il est alors admis que l’eau se d�compose en deux substances, dont le dihydrog�ne. Q1. �crire l’�quation de d�composition de l’eau en corps purs simples. H2O(l) --> H2(g) + �O2(g). � partir des r�sultats de l’exp�rience de d�composition de l’eau, d�terminer le pourcentage massique d’hydrog�ne contenu dans l’eau. Commenter le r�sultat obtenu. En p�n�trant dans un canon de fusil chauff� au rouge, l'eau forme des oxydes de fer. La masse du canon cro�t de 90,773 g. 13,172 g de dihydrog�ne sont recueillis. Masse totale d'oxyg�ne ( sous forme d'oxyde de fer) et de dihydrog�ne form�s : m = 90,773 + 13,172 =103,945 g. L 'hydrog�ne repr�sente donc : 13,172 / 103,945 ~0,1267 ( 12,67 %) de cette masse. Pourcentage r�el d'�l�ment hydrog�ne dans l'eau : 2 / 18 ~0,11 ( 11 %). Ecart relatif : (12,67 -11) / 11 ~ 0,15 ( 15 %). Les deux r�sultats sont coh�rents en tenant compte de l'impr�cision des pes�es faites par Lavoisier. Le dihydrog�ne peut servir de combustible pour alimenter les moteurs � hydrog�ne de v�hicules dits � d�carbon�s �. La production du dihydrog�ne peut se faire par �lectrolyse (5 % de la production mondiale) ou par vaporeformage du m�thane (41 % de la production mondiale). A2 �tude de l’�lectrolyse de l’eau. Q2. a) compl�ter le document en proposant un sch�ma sur lequel sont indiqu�s : les d�placements des porteurs de charges, l’anode, la cathode, la polarit� des �lectrodes, ainsi que les demi-�quations �lectroniques se produisant � chacune des �lectrodes. Oxydation de l'eau � l'anode : 2 H2O(l) --> O2(g) +4H+aq +4e-. R�duction de l'eau � la cathode : 2H2O(l)  +2e---> H2(g) ++2HO-aq. b) Donner l’expression litt�rale de la puissance �lectrique fournie par le g�n�rateur, et en indiquant l’unit� de chaque grandeur impliqu�e. P = U I. P : puissance en watt d�livr�e par le g�n�rateur. U : tension ( V) aux bornes du g�n�rateur ; I(A) intensit� du courant. c) R�diger deux solutions partielles permettant de venir en aide � un �l�ve ayant des difficult�s sur cette activit�. R�aliser un circuit en branchant en s�rie, le g�n�rateur, l'amp�rem�tre et l'�lectrolyseur. Brancher le volm�tre en d�rivation aux bornes de l'�lectrolyseur. Les gaz sont receuilis dans des tubes � essais retourn�s � l'envers sur les �lectrodes par d�placement d'eau. Relation entre puissane et �nergie : Energie ( J) = Puissance (watt) x temps (s). Utiliser la loi des gaz parfaits pour d�terminer la quantit� de mati�re puis la masse de dihydrog�ne. Q3.  Expliciter les hypoth�ses qui sont r�alis�es afin de pouvoir mod�liser un gaz comme parfait. Un gaz r�el se comporte comme un gaz parfait � pression tr�s faible, quelque soit la temp�rature, ou bien � basse pression et haute temp�rature. A l'�chelle microscopique, un gaz parfait est un gaz dans lequel les interactions entre mol�cules sont nulles, en dehors des chocs. la taille des mol�cules est n�gligeable devant la distance intermol�culaire moyenne. Q4. La production industrielle de dihydrog�ne est r�alis�e par �lectrolyse d’une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium (ou potasse). La valeur classique de la tension utilis�e est de U = 1,8 V. Le rendement faradique η de la transformation vaut 70 %. a) Donner la loi de Faraday reliant la quantit� de mati�re d’�lectrons � la charge �lectrique circulant dans le circuit lors de l’�lectrolyse. Q = n(e-) F = I t avec F = NA e. b) Montrer que l’�nergie E consomm�e lors de l’�lectrolyse s’exprime selon la relation suivante : E = 2Fm(H2) U / (M(H2)x h). Quantit� de mati�re de dihydrog�ne : n(H2) = 0,5 n(e-) = 0,5 I t / F. Energie consomm�e E = U I t = 2 U n(H2) F = 2 U F m(H2)  / (M(H2) Prendre en compte le rendement : E = 2Fm(H2) U / (M(H2)x h). . c) En d�duire l’�nergie consomm�e par tonne de dihydrog�ne produite. Rendement de l'�lectrolyse : 0,70. E = 2 *96500 *1,8 *1,0 106 /(2*0,7) ~2,5 1011 J. Soit 2,5 1011 / (3,6 106) ~6,9 104 kWh. ... .... A3. �tude du vaporeformage du m�thane. La r�action de vaporeformage se d�roule � haute temp�rature (1030 K) et haute pression (33 bar) dans un fourneau en pr�sence de catalyseur. Dans les conditions industrielles, la conversion du m�thane peut �tre consid�r�e comme totale. La transformation est mod�lis�e par la r�action chimique d’�quation : CH4(g) + 2 H2O(g) → CO2(g) + 4 H2(g).  Le co�t de production du dihydrog�ne par vaporeformage est estim� � 2 euros par kilogramme de dihydrog�ne produit. Q5. D�finir la notion � d’�nergie de liaison �, puis calculer l’�nergie molaire de la r�action de vaporeformage du m�thane. Pr�ciser le caract�re endothermique ou exothermique de cette r�action. L’�nergie molaire de r�action peut �tre assimil�e � l’enthalpie standard de r�actionr DrH�. L'�nergie de liaison est l'oppos�� de l'�nergie qu'il faut fournir pour casser cette liaison. DrH�=4DfH�(C-H) +4 DfH�(O-H) -[2DfH�(C=O) +4DfH�(H-H). DrH�=4*411,0 +4*458,8-[2*798,9+4*432,0]=1644+1835,2-1597,8-1728= 153,4 kJ / mol. DrH� �tant n�gatif, la r�action est endothermique. Il faut fournir de l'�nergie pour que la r�action se produise. . Q6. En d�duire l’�nergie consomm�e lors de la production d’une tonne de dihydrog�ne par vaporeformage. 153,4 * 1,0 106 / 2 =7,67 107  kJ ~7,7 1010 J. Soit : 7,7 1010 / (3,6 106)~2,1 104 kWh. A4. Comparaison des deux processus de production.  Un professeur d’une classe de terminale STL sp�cialit� SPCL, pr�pare l’un de ses groupes d’�l�ves � la pr�sentation orale de leur projet portant sur � L’Hydrog�ne �nergie : une fili�re d’avenir ? �. L’objectif du projet des �l�ves est de comparer les avantages et les inconv�nients des deux grands modes de production du dihydrog�ne : par �lectrolyse ou par vaporeformage. Un extrait de leur conclusion est pr�sent� ci-dessous.  Extrait : � La fili�re hydrog�ne est la solution pour le d�veloppement durable si on d�veloppe l’�lectrolyse. On le fabrique � partir d’eau, ce n’est pas beaucoup plus cher que le vaporeformage, et le bilan carbone est neutre (le proc�d� ne fabrique pas de dioxyde de carbone) �. Q7. Corriger la conclusion propos�e par ces �l�ves. Indiquer quelques �l�ments � leur transmettre pour l’am�liorer afin de l’inscrire dans une dimension �nerg�tique et environnementale plus globale. Prix moyen du kWh pour les professionnels : 8 centimes d’euro ; masse moyenne de dioxyde de carbone rejet�e par kWh d’�lectricit� produit : 74 g Co�t ( pour 1 tonne H2) empreinte carbone Electrolyse 6,9 104 *0,08=5556 € 0,074 *6,9 104 ~5,1 103 kg =5,1 t Vaporeformage 2,1 104 *0,08= 1680 € n(CO2) =0,25 n(H2)=0,25 *1,0 106 /2 =1,25 105 mol. masse : 1,25 105 *0,044 =5,5 103 kg = 5,5 t. A cela il faut ajouter : 0,074 *2,1 104 =1,56 103 kg = 1,6 t. total : 7,1 t. Erreur commise : le proc�d� par �lectrolyse n'est pas neutre en dioxyde de carbone sauf si l'�lectricit� est produite � partir de l'�nergie solaire  en utilisant des capteurs photovolta�ques. .

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