LE DIHYDROGENE POUR LA PROTECTION DE L'ENVIRONNEMENT

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EXERCICE II. LE DIHYDROGÈNE POUR LA PROTECTION DE L'ENVIRONNEMENT


1.1. Le dihydrogène subit une oxydation c'est donc le réducteur.
le dioxygène subit une réduction c'est donc l'oxydant.

Il y a autant d'électrons consommés que d'électrons produits,
la réaction d'oxydation a lieu deux fois quand la réaction de réduction a
lieu une fois.
[ H2(g) = 2 H+(aq) + 2 e- ] ( 2


O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e- = 2 H2O(l)

Soit 2 H2(g) + O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e- = 4 H+(aq) + 4 e- +
2 H2O(l)
donc 2 H2(g) + O2(g) = 2 H2O(l)

1.2. La réaction libère de l'eau, qui n'est pas toxique, contrairement aux
gaz d'échappement usuels (NOx, CxHy, etc.). Il est à noter que la vapeur
d'eau est un gaz qui contribue de façon très importante à l'effet de serre.

1.3. A la cathode, il se produit la réduction du dioxygène, c'est donc
l'électrode où arrive le dioxygène, soit l'électrode 1.
1.4.











1.5 Un catalyseur est une espèce chimique qui augmente la vitesse de
réaction, sans apparaître dans le bilan de l'équation. Il ne modifie pas
l'avancement final de la transformation mais permet de l'atteindre plus
rapidement.

1.6. 2 méthodes sont proposées pour répondre à cette question:
> Méthode 1: Quantité d'électricité produite Q = I.(t = ne.NA.e avec ne
quantité de matière d'électrons ayant circulé. Soit ne = [pic]
A l'anode: H2(g) = 2 H+(aq) + 2 e- donc [pic]consommée = [pic]
produite
[pic]consommée = [pic]
[pic][pic]= 1076 mol soit [pic] = 1,1(103 mol
A la cathode: O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e- = 2 H2O(l) donc
[pic]consommée = [pic]consommée
[pic]consommée = [pic] = [pic] = 538 mol
soit [pic]consommée = 5,4(102 mol
ou plus rapide: d'après l'équation chimique de fonctionnement de la pile
[pic] = [pic]


> Méthode 2:
Au niveau microscopique, à chaque fois que la réaction: 2 H2(g) + O2(g) = 2
H2O(l) a lieu une fois, ce sont 4 électrons qui circulent dans le circuit
extérieur.
Au niveau macroscopique, la quantité d'électricité qui circule est égale à
Q = 4.x.F où x est l'avancement de la réaction globale (en mol) et F la
quantité d'électricité portée par une mole d'électrons (en coulombs).
or F = NA.e donc Q = 4. x . NA. e d'autre part Q = I.(t,
donc x = [pic].
D'après l'équation globale: [pic]= 2x = [pic]= [pic]= 1076 mol
soit [pic] = 1,1(103 mol
et [pic]= x = [pic]= 538 mol soit [pic]consommée = 5,4.102 mol
2.1.1. Na2SO4(s) = 2 Na+(aq) + SO42- (aq)
|2.1.2.Équation de la | Na2SO4(s) = 2 Na+(aq) + |
|réaction |SO42-(aq) |
|État du système |Avancement |Quantités de matière (en mol) |
| |(en mol) | |
|État initial |0 |c(V |0 |0 |
|État au cours de la |x |c(V - x |2x |x |
|transformation | | | | |
|État final |xf |c(V - xf |2xf |xf |


2.1.3. n(Na+(aq)) = 2xf
Soit xf = [pic]= [pic] = 0,50 mol
Si la transformation est totale, le sulfate de sodium est totalement
consommé [pic]- xmax = 0
soit xmax = c ( V = 1,0(0,500 = 0,50 mol

xf = xmax donc la transformation est totale.

2.2. [pic] = 4,0

2.3.1. A l'anode il se produit une oxydation, soit : 2 H2O(l) =
O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e-
A la cathode il se produit une réduction, soit : 2 H2O(l) + 2 e- = H2(g)
+ 2 HO- (aq)

2.3.2. À la cathode il se forme des anions hydroxyde, le milieu devient
basique, le bleu de bromothymol colore en bleu la solution.


A l'anode, il se forme des protons, le milieu devient acide et la solution
se colore en jaune.

2.3.3. 2 H2O(l) = O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e-
( 2 H2O(l) + 2 e- = H2(g) + 2 HO- (aq) ) (2

2 H2O(l) + 4 H2O(l) = O2(g) + 4 H+(aq) + 2 H2(g) + 4 HO- (aq)

6 H2O(l) = O2(g) + 2 H2(g) + 4 HO- (aq) + 4 H+(aq)

6 H2O(l) = O2(g) + 2 H2(g) + 4 H2O(l)

donc 2 H2O(l) = O2(g) + 2 H2(g)

2.3.4. D'après les demi-équations, l'oxydation produit 4 protons H+(aq)
lorsque la réduction produit 4 anions hydroxyde HO-(aq). Ces ions
réagissent pour former de l'eau et le milieu devrait être neutre, la
solution prendra une teinte verte (teinte sensible du BBT).

-----------------------
e-

production d'électrons
à l'électrode 2 :
donc pôle négatif de la pile

consommation d'électrons à l'électrode 1 : donc pôle positif de la pile

+

-

Ox + n e- = Réd

réduction

oxydation