Eric DAINI – Lycée Paul Cézanne – Aix en Provence © http://labotp.org

Spécialité Eau et énergie

Séance 2

ÉLECTROLYSE DE L’EAU Correction

I. CARACTÉRISTIQUE D’UN L’ÉLECTROLYSEUR

1. Montage

2. Étude de l’électrolyseur

a. Pour les valeurs U’ = 2,4 V et I’ = 0,2 mA on commence à voir des bulles apparaître au voisinage des électrodes de l’électrolyseur.

b.

U (V) 0,0 U’ = 2,4 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0

I (mA) 0,0 I’ = 0,2 4,6 24 54 85 123 156 206 250 300 340

c. Caractéristique U = f(I).

y = 26,862x + 3,2689

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

U(V)

I(A)

Générateur de

tension variable

Ampèremètre

Voltmètre

Electrolyseur

Électrodes

200 mL de sulfate de sodium

2Na+(aq)+SO42(aq) à 0,50 mol.L1

A

V

U + -

Eric DAINI – Lycée Paul Cézanne – Aix en Provence © http://labotp.org

d. L’équation de la caractéristique est: (1) U = E’ + r.I car le graphe est une droite affine croissante. (2) U = r.I ne convient pas car le graphe n’est pas une droite passant par l’origine. (3) U = E’ – r.I ne convient pas car la droite est croissante et non pas décroissante.

e. L’électrolyseur est un récepteur électrique car il reçoit de l’énergie électrique de la part du générateur.

f. Force contre électromotrice (f.c.e.m) : E’ = 3,27 V ; résistance interne r = 26,9 .

II. FONCTIONNEMENT DE L’ÉLECTROLYSEUR

1. Étude qualitative

a. intensité I0 = 310 mA = 0,310 A. b. Les solutions dans les tubes 1 et 2 ont initialement une teinte verte.

La coloration bleue dans le tube 1 montre que la solution est devenue basique : il s’est formé des ions HO(aq). La coloration jaune dans le tube 2 montre que la solution est devenue acide : il s’est formé des ions H3O

+(aq).

c. V1 = 12,2 mL et V2 = 6,1 mL.

On constate que V1 / V2 2.

d. Sens conventionnel du courant électrique I dans un circuit : de la borne + vers la borne du générateur .

e. Les électrons e se déplacent dans le sens opposé au sens du courant électrique . f. Électrode 1 associée au tube 1 :

- les électrons sont consommés sur l’électrode 1 ; il s’y produit donc une réduction. - l’électrode 1 est donc la cathode.

Électrode 2 associée au tube 2 : - les électrons sont libérés sur l’électrode 2 ; il s’y produit donc une oxydation. - l’électrode 2 est donc l’anode.

g. Le gaz dans le tube 1 produit une petite détonation à l’approche d’une allumette : il s’agit donc de dihydrogène. Le gaz dans le tube 2 ravive la pointe incandescente d’une buchette : il s’agit donc de dioxygène.

Les couples redox de l’eau sont : H2O (l) / H2 (g) et O2 (g) / H2O (l)

h. Sur la cathode (électrode 1) il se forme des ions HO(aq) et du dihydrogène H2 (g) par réduction de l’eau selon :

2 H2O (l) + 2 e H2 (g) + 2 HO(aq) Sur l’anode (électrode 2) il se forme des ions H3O

+(aq) donc H+(aq) et du dioxygène O2 (g) par oxydation de l’eau selon :

H2O (l) ½.O2 (g) + 2 e + 2 H+(aq) i. Par addition membre à membre des deux demi-équations précédentes :

3 H2O (l) H2 (g) + ½.O2 (g) + 2 H+(aq) + 2 HO(aq)

Sachant que : 2H+ + 2HO 2 H2O il vient : H2O (l) H2 (g) + ½.O2 (g)

Couleur jaune Couleur verte Couleur bleue

pH 6,0 7,6

Eric DAINI – Lycée Paul Cézanne – Aix en Provence © http://labotp.org

j. Lorsqu’une mole d’eau H2O (l) réagit, il se forme 1 mol de H2(g) et ½ mol de O2(g). La quantité n(H2) de d’hydrogène formée est donc le double de la quantité n(O2) de dioxygène formé soit: n(H2) = ½. n(O2). Or, les volumes des gaz obtenus sont proportionnels aux quantités des gaz formés donc V(H2) = ½.V (O2). Les volumes mesurés V1 = V(H2) = 12,2 mL et V2 = V(O2) = 6,1 mL sont cohérents avec l’équation de la réaction.

k. On a utilisé une solution aqueuse de sulfate de sodium car elle contient des ions sodium Na+(aq) et sulfate

SO42(aq) qui assurent la conduction du courant électrique dans la solution de l’électrolyseur. L’eau pure n’est

pas conductrice contrairement à la solution aqueuse de sulfate de sodium.

l. Les ions Na+(aq), chargés positivement, se déplacent vers la cathode (électrode 1) alors que les ions SO42(aq),

chargés négativement, se déplacent vers l’anode (électrode 2).

2. Étude quantitative : détermination du rendement de l’électrolyseur

a. Compléter le document ci-contre en précisant la nature des énergies notées 1, 2 et 3 :

b. Énergie électrique EE reçue par l’électrolyseur : EE = U.I0.t soit EE = 12,0 0,310 300 = 1,12103 J = 1,12 kJ.

c. Énergie utile produite : ECH = E’.I0.t. soit ECH = 3,27 0,310 300 = 304 J = 0,304 kJ.

d. Énergie EJ perdue: EJ = r.I02.t soit ECH = 26,9 (0,310)² 300 = 776 J = 0, 776 kJ.

Cette énergie est perdue sous forme de chaleur par Effet Joule.

e. Rendement énergétique de l’électrolyseur : CH 0

E 0

E E'.I . t E'

E U.I . t U

soit 3,27

0,27312,0

soit environ 27 % ; le rendement énergétique de l’électrolyseur est assez faible.

1 : Énergie électrique Electrolyseur Énergie utile 2 : énergie chimique

Énergie perdue 3 : énergie thermique