Pile à hydrogène : correction des exercices (spe SPC)

Exercice 3 page 53

a)Ce sont les électrodes (celles-ci contiennent du platine) de la pile à combustible qui rendent sa production coûteuse .Ces électrodes sont en contact avec le dihydrogène et le dioxygène et permettent de transformer l'énergie chimique en énergie électrique .

b)*Electrode H2 : H2 ---> 2H++ 2e

*Electrode O2 : O2 +4H+  +4e----> 2H2O

c)la voiture consomme 2,5 kg de dihydrogène . La masse molaire du dihydrogène étant MH =2*1=2 g.mol-1, la quantité de matière correspondant à la consommation de m=2500 g de dihydrogène est par conséquent :

nH2= m/MH2 = 1250 mol .

d)On remarque que la consommation d'une mole de dihydrogène se traduit par la libération de deux moles d'électrons dans le circuit électrique , autrement dit 1250 mole de dihydrogène vont contribuer à une circulation de 2500 moles mole d'électrons .

e)La valeur absolue de la charge d'un électron étant e=1,6.10-19 C , la valeur absolue de la charge de 2500 moles d'électrons est par conséquent  |Q|= 2500*NA*1,6.10-19 =24.107  C où NA=6,02.1023 mol-1 est la constante d'Avogadro .

L'intensité du courant I est telle que |Q|=I*Dt , Dt étant la durée de fonctionnement . D'où I=|Q|/Dt =24.107/(6*3600+40*60) =10000 A . Ce résultat est effectivement énorme ! Mais comme le précise l'énoncé, cette valeur ne correspond pas à la réalité puisque plusieurs éléments de pile participent à cette production de charge électrique .

Exercice 4 page 53

a)

CH3OH+H2O ---> CO2 + 6H+ + 6e  ||x2  :  oxydation à l'anode

O2 +4H+  +4e----> 2H2O  || x3 : réduction à la cathode

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2CH3OH+3O2 --->2CO2 + 4H2O

b)|Q| = ne * NA * 1,6.10-19 = I*Dt  et donc ne= I*Dt/(6,02.1023*1,6.10-19)=(2*3600*50.10-3)/(6,02.1023*1,6.10-19)=3,7.10-3 mol

c)Une mole de méthanol libère 6 mole d'électrons (première équation), autrement la circulation d'une mole d'électrons correspond à la consommation de 1/6 mole de méthanol . La masse molaire du méthanol est M=12+4+16=32 g.mol-1 . La masse de méthanol consommé est par conséquent m=(ne/6)*M = (3,7.10-3/6)*32= 0,02 g .

V= m/r= 0,02/0,79 =2,5.10-2 mL . C'est le volume de méthanol consommé .

d)Le méthanol est liquide , le dihydrogène est gazeux : le volume de stockage de méthanol est par conséquent moins important que celui du dihydrogène .

Exercice 11 page 56 :

a)L'électrode de gauche de l'électrolyseur sur le schéma est l'anode (reliée au pôle + du générateur): la réaction est une oxydation . L'autre électrode est une cathode où se produit une réduction .

b)L'électrolyse est une réaction forcée dans la mesure où le générateur fournit de l'énergie à l'électrolyseur et ses composants.

2H2O ---> O2+4H++4e

2H2O+2e --->H2+2HO-

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6H2O --->O2+2H2+4H++4HO-  ou en tenant compte de la réaction acido-basique H++HO- ---> H2O :

2H2O ---> O2 + 2H2

Les produits sont par conséquent le dihydrogène et le dioxygène .

c)Sur une durée de 1 heure , il faut 60 fois plus de dioxygène que sur une minute , soit VH=60*0,3=18 L  D'où no2=18/25=0,72 mol .

d)D'après l'équation de la réaction à l'anode ,pour une mole de O2 libérée , il faut 4 mole d'électrons . Par conséquent ne=no2*4= 2,88 mol

e)|Q|=ne*NA*e= 2,88*6,02.1023*1,6.10-19 =27,7.104 C

f)I=|Q|/Dt=27,7.104/3600=77 A

g)Eel=5*77*3600=13,8.105 J = 1380 kJ.

Exercice 13 page 57

a)le parc automobile mondial est en progression (5 millions de véhicules produits par année après la seconde Guerre mondiale , 50 millions aujourd'hui) , un parc qui devrait atteindre 2,65 milliards de véhicules d'ici 2020 .Il va de soi que la production de polluants locaux (dioxyde de soufre, méthane CH4 , dioxyde de carbone CO2 , monoxyde de carbone CO , dioxydes d'azote , ozone O3) est également en progression .

b)Si nous nous en tenons à la réaction qui se produit lors du fonctionnement de la pile hydrogène/oxygène (O2+2H2 --->2H2O ), cette pile ne génère pas de polluants lors de sont utilisation . C'est en ce sens que l'on peut parler de "voiture propre" .

c)Un autre avantage de l'utilisation d'une pile à hydrogène à la place d'un moteur thermique est safaible consommation : l'équivalent de 10 litres d'essence pour parcourir 2500 km . Un moteur thermique , sur une telle distance fonctionne environ 2500 /6 =416 , soit environ 400 litres d'essence .