🫧 L'électrolyseur à hydrogène : mesurer F et stocker
Casser de l'eau avec un courant électrique, c'est facile : il suffit d'un générateur et de deux électrodes. Mais combien de bulles pour combien de coulombs ? Relève les volumes comme un vrai chimiste, retrouve une constante fondamentale (F = 96 485 C/mol), démasque un ampèremètre menteur… puis découvre pourquoi l'hydrogène « vert » rend à peine un tiers de l'électricité qu'on lui confie.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Dans le tube de la cathode (pôle −), le gaz s'accumule deux fois plus vite que dans celui de l'anode (pôle +) : pour 4 électrons échangés, il se forme 2 molécules de H2 mais une seule de O2.
- Les électrons arrivent par le fil à la cathode, où les ions H+ sont réduits ; à l'anode, l'eau est oxydée et cède des électrons au fil. Aucun électron ne traverse la solution.
- Les points V(H2) = f(Q) s'alignent sur une droite qui passe par l'origine : le volume est proportionnel à la charge. Sa pente vaut Vm / (2F), ce qui permet de mesurer F. Les grands volumes donnent une mesure plus précise, car l'erreur de lecture (un demi-millilitre) pèse moins.
- Avec l'ampèremètre caché, le graphique est tracé en fonction de la durée : la pente vaut alors I·Vm / (2F), et c'est I qu'il faut retrouver.
- Dans le diagramme d'énergie, chaque étape perd de la chaleur : l'électrolyseur (η1 = 1,25 V / U), le stockage (compression ou liquéfaction) et la pile à combustible. Les rendements se multiplient : la chaîne complète rend souvent moins de 35 %, contre environ 90 % pour une batterie.
Expériences à faire
- Avec I = 0,50 A, combien de temps faut-il pour recueillir 10 mL de dioxygène ? Calcule-le, programme cette durée et vérifie.
- Fais quatre ou cinq relevés à différents instants : la droite passe-t-elle par l'origine ? Quelle valeur de F obtiens-tu ?
- Passe la température de 20 °C à 40 °C : pour la même charge Q, le volume de gaz change-t-il ? Et la quantité de matière n(H2) ?
- Que se passe-t-il pour le rendement de l'électrolyseur si sa tension U augmente ? Pourquoi un électrolyseur industriel travaille-t-il vers 1,8 V ?
- Remplace le stockage comprimé par de l'hydrogène liquide : combien de points de rendement la chaîne perd-elle ?
La chimie derrière l'animation
- Électrolyse de l'eau (eau acidifiée) : à la cathode (−), réduction 2 H+ + 2 e− → H2 ; à l'anode (+), oxydation 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e− ; bilan 2 H2O → 2 H2 + O2. C'est une transformation forcée par le générateur.
- Quantité d'électricité : Q = I × Δt = n(e−) × F avec F = 96 485 C/mol (charge d'une mole d'électrons). D'après les demi-équations, n(H2) = n(e−) / 2 et n(O2) = n(e−) / 4, donc V(H2) = 2 V(O2).
- Volume d'un gaz (modèle du gaz parfait) : V = n × Vm avec Vm = R T / P (24,1 L/mol à 20 °C et 1 013 hPa). Donc V(H2) = Q × Vm / (2F) : la pente de la droite V = f(Q) donne F = Vm / (2 × pente).
- Énergie : l'électrolyseur consomme Wélec = U × I × Δt ; le dihydrogène formé stocke 242 kJ par mole (pouvoir calorifique inférieur, 120 MJ/kg). Rendement η1 = Echimique / Wélec = 1,25 V / U. Pour une chaîne de convertisseurs, η = η1 × η2 × η3.
- Modèle simplifié : on néglige la vapeur d'eau dans les tubes et le gaz qui se dissout dans l'eau ; les rendements de stockage (compression à 350 ou 700 bar, liquéfaction à −253 °C) sont des ordres de grandeur.
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