Exercice 3 - Modéliser le fonctionnement d'une électrolyse 3

La société française ENGIE investit dans le développement d'un des premiers projets de dihydrogène renouvelable. Ce projet est situé dans la région de Pilbara en Australie.

En 2024, la première phase produira 640 tonnes de dihydrogène par an. Le dihydrogène sera utilisé comme matière première pour la production d'ammoniac. Le rendement de la production d'ammoniac sera de 20 %.

Données :

• Équations des réactions électrochimiques modélisant les transformations aux électrodes :   \(\mathrm{2\;H^+(aq)+2\;\text{e}^-\rightarrow H_2(g)}\) ; \(\mathrm{2\;H_2O(\ell)\rightarrow O_2(g)+4\;H^+(aq)+4\;e^-}\)
  
• Volume molaire dans les conditions de l'expérience : \(V_\text{m}=\mathrm{24\;L\cdot mol^{-1}}\)
  
• Charge élémentaire : \(e=\mathrm{1,6\times10^{-19}\;C}\)
  
• Constante d'Avogadro : \(N_A=\mathrm{6,02\times10^{23}\;mol^{-1}}\)
  
• Quantité d'électricité Q : \(Q=I\times \Delta t=n_{e^-}\times N_A\times e\) avec \(n_{e^-}\) la quantité de matière d'électrons échangés (en mol)
  
• Masses molaires atomiques en \(\mathrm{g\cdot mol^{-1}}\) : M(H) = 1,0 ; M(N) = 14,0.
  

L'électrolyse de l'eau utilisée dans l'usine de Pilbara peut être reproduite au laboratoire grâce au montage de la figure 3, en remplaçant la cellule photovoltaïque par un générateur. 

Q1. Indiquer, parmi celles numérotées (1), (2) ou (3) sur la figure 4, les deux flèches représentant respectivement le sens du courant électrique et celui du déplacement des électrons.

Q2. Associer à chacune des électrodes, A et B, une des équations des réactions électrochimiques figurant dans les données et nommer les gaz formés à chaque électrode. 

On recueille 4,0 mL de gaz dans un des tubes et 2,0 mL dans l'autre.

Q3. Écrire l'équation de la réaction modélisant la transformation chimique qui se déroule dans l'électrolyseur. Valider la stœchiométrie des deux gaz formés en analysant les volumes de gaz obtenus aux électrodes. 
La manipulation dure Δt = 3 min et 20 s. L'intensité du courant est de 0,16 A. 
Q4. Calculer la quantité d'électricité Q ayant circulé dans le circuit électrique pendant la durée de l'électrolyse au laboratoire et en déduire la quantité de matière d'électrons échangés.

Q5. En déduire le volume de dihydrogène que l'on pourrait obtenir dans les conditions de l'expérience. Comparer aux données expérimentales.

Q6. Déterminer la masse d'ammoniac qui pourra être produite en 2024 à partir du dihydrogène produit dans l'usine de Pilbara. Commenter.

Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie, même si elle n'a pas abouti. La démarche est évaluée et nécessite d'être correctement présentée. 

Besoin d'aide ? Vous pouvez consulter votre cours et vous entraîner avec le point méthode 3 de ce chapitre et avec les points méthodes 3 à 6 du chapitre "Prévoir le sens de l’évolution spontanée d’un système chimique".