Problème 2

Le dihydrogène (H2) est une alternative aux carburants émettant du CO2 ; réduire le coût et l'impact environnemental de sa production est un enjeu majeur et l'électrolyse de l'eau est une voie prometteuse. Données à 298 K :

\Delta_f H^\circ

(kJ mol

^{-1}

) : H2(g) 0, H2O(l) −285.8, H2O(g) −241.8, O2(g) 0 ;

S_m^\circ

(J mol

^{-1}

^{-1}

) : H2(g) 130.6, H2O(l) 69.9, H2O(g) 188.7, O2(g) 205.2. (a) Écrire l'équation équilibrée de la décomposition de l'eau liquide avec un coefficient stœchiométrique de 1 pour l'eau et justifier numériquement si la réaction est thermodynamiquement favorable à 298 K. (b) L'électrolyse peut être réalisée avec deux électrodes dans un bain d'eau acide ; écrire les demi-réactions à chaque électrode et établir la condition sur la tension appliquée

\Delta E_{\text{applied}}

par rapport au seuil thermodynamique

\Delta E_{\text{th}}

pour que le procédé soit favorable à 298 K. (c) Pour une cathode de Pt, la tension minimale

\Delta E_{\min}

dépend de l'anode : IrOx 1.6 V, NiOx 1.7 V, CoOx 1.7 V, Fe2O3 1.9 V. Donner l'expression du rendement de puissance

\eta_{\text{elec}}

de l'électrolyse, le calculer pour Pt/Fe2O3 et indiquer l'anode la plus efficace.

Étape 1 sur 4 : Équation équilibrée

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\ce{H2O(l) -> H2(g) + 1/2 O2(g)}

Analyse

Le coefficient de l'eau étant fixé à 1, la demi-équation d'oxydation de l'eau donne $\tfrac{1}{2}$ O2 et celle de réduction de H+ donne H2 ; leur somme donne $\ce{H2O(l) -> H2(g) + 1/2 O2(g)}$ .