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 4 sur 4 : Rendement et meilleure anode

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\eta_{\text{elec}} = \dfrac{\Delta E_{\text{th}}}{\Delta E_{\min}} = \dfrac{1.229}{1.9} = 0.65\ (65\%),\quad \text{best anode: } \ce{IrO_x}

Analyse

À courant identique, la puissance est proportionnelle à la tension ; la fraction de puissance stockée chimiquement vaut $\eta_{\text{elec}} = \Delta E_{\text{th}}/\Delta E_{\min}$ . Avec une anode Fe2O3, $\eta = 1.229/1.9 = 65\%$ . L'anode IrOx (1.6 V) minimise la surtension et donne le rendement le plus élevé.