UNE Vie sous-Marine durable

Électrolyse

Pour satisfaire ses besoins en oxygène, l'Homme ne peut compter seulement sur les végétaux. Des moyens scientifiques doivent être trouvés afin d'assurer un apport en oxygène complémentaire. En effet, dans la recherche d'une autonomie la plus complète, les Hommes devront être à terme en capacité d'assurer tout ce dont ils nécessitent, et cela passe par cet oxygène. Ainsi, nous allons nous intéresser à l'électrolyse, réaction chimique produisant de l'O2.

L'électrolyse

Le choix de l'eau peut-il être arbitraire ? L'eau de mer suffirait-elle à la réalisation de l'expérience ?

L'eau existe sous plusieurs formes, même si elles résultent toutes de la molécule H20. En effet, citons parmi-elles l'eau de mer, l'eau dite pure, l'eau minérale etc... Il nous faut alors trouver sa composition où elle est la plus conductrice, afin que les échanges électriques puissent s'effectuer le mieux possible.

Définissons d'abord la conductivité d'un matériau:

"La conductivité électrique traduit la capacité d’une solution aqueuse à conduire le courant électrique". L’unité de mesure communément utilisée est le Siemens (S/cm), souvent exprimé en micro siemens/cm (µs/cm) ou millisiemens (mS/cm). La conductivité est directement proportionnelle à la quantité de solides (sels minéraux) dissous dans l’eau. Ainsi, plus la concentration en solide dissous sera importante, plus la conductivité sera élevée.

Voici un tableau classant différent types d'eau selon leur conductivité:

Ainsi, nous pouvons clairement identifier que les eaux les plus aptes à faire passer un courant électrique sont l'eau de mer et de Saumur.

Devrions-nous alors utiliser de l'eau de Saumur afin d'obtenir des résultats probants dans notre expérience ? Pas obligatoirement. En effet, cet électrolyte n'est rien de plus que de l'eau de mer avec une concentration en chlorure de sodium, c'est-à-dire en sels, plus élevé. De plus, pour des questions pratiques, l'eau de mer disponible en abondance ferait très bien l'affaire. Elle pourrait d'ailleurs éventuellement être mélangée à des éléments comme la soude ou toute autre solution alcaline, afin de la rendre encore plus conductrice. Cette eau sera appelée électrolyte désormais.

Cependant, cette eau pourra être en mesure de détériorer les électrodes sur le long terme, qui devront être remplacées plus ou moins fréquemment.

Quels rôles remplissent les électrodes? Doivent-ils également répondre à certains critères ?

La réaction

Nous allons désormais nous focaliser directement sur la réaction chimique en elle-même, et savoir ce qui se passe réellement au niveau atomique. N'oublions pas que contrairement au sens conventionnel, les électrons se déplacent de la borne - vers la borne + du générateur.

Existe-t-il des moyens de s'assurer de la formation des gaz, ou de la bonne exécution de l'expérience ?

Les bulles formées aux abords des électrodes permettent d'assurer les dégagements de gaz,

le dioxygène et le dihydrogène.

Quelle est la quantité produite de gaz pour un tel montage ?

Notre objectif premier est de déterminer si ce procédé pourrait permettre de satisfaire les besoins essentiels en dioxygène de toute une population. Ainsi, il faut nous intéresser à la quantité de matière produite (sans oublier le fait que l'intensité électrique est proportionnelle au gaz produit, et que nos estimations peuvent varer selon la tension appliquée).

Afin d’évaluer la quantité de gaz produit, nous utiliserons un tableau d’avancement en exploitant la loi de conservation lors d’une transformation chimique. Ainsi, la quantité de matière de l’eau en mole se retrouvera divisée entre le dihydrogène et le dioxygène.

Prenons l’exemple de deux litres d’eau en prenant en compte l’équation :

2 H2O (l) ——> O2(g) + 2 H 2(g)

Nous devons trouver la quantité de matière de l’eau sur 1L. Ainsi prenons la formule suivante: n=m/M

n : la quantité de matière exprimée en moles (mol) ;

m : la masse de l'échantillon exprimée en grammes (g) ;

M : la masse molaire de l'espèce (g.mol−1)= 18

Cependant, il nous manque la valeur de la masse d'eau qui nous est donné par le produit de la masse volumique P et le volume V.

Nous avons ainsi le rapport : n=(PxV)/M.

Ce calcul nous permet d'obtenir une quantité de matière égale à 55mol.

Nous pouvons alors former le tableau d'avancement suivant :

Selon celui-ci, nous obtiendrons après réaction 55mol de H2 et la moitié d'O2. Le volume molaire permet de faire directement le lien entre quantité de matière et volume. Il est égal à 20L/mol (valeur arrondie puisque applicable dans des conditions de pression et de température normales). Nous avons alors un volume d'environ 550L pour l'O2 et le double pour le dihydrogène. De plus, nous avons le rapport suivant : 1000L=1cm3. On obtient donc, pour deux litres d'eau consommés, presque 1m3 de dioxygène formé et 2 pour le dihydrogène.

Les valeurs que nous obtenons vont au-delà de nos attentes, et l'électrolyse nous parvient alors comme un moyen sérieux quant à la production d'oxygène en milieu fermé.

La réaction produit certes du dioxygène, mais que peut-on faire de toute la quantité de dihydrogène formé ?

En effet, le dihydrogène pourrait servir de vecteur énergétique. C’est dans cette mesure qu’il pourrait plutôt nous intéresser. Il pourrait constituer le stock énergétique de notre infrastructure, mais sa trace carbonique pourrait rester trop importante... Il s’agirait alors de produire ce gaz à partir d’énergies renouvelables directement, afin que lui-même puisse devenir source d’énergie verte, avec un bilan carbone affaibli. Il constituerait ainsi le principal apport d’énergie dans notre milieu.

L’électrolyse aurait alors double rôle à jouer, et l’on peut bien sûr penser à une répartition de ces systèmes en grande quantité dans l'infrastructure.

Après étude de l'électrolyse, nous nous rendons compte que plus qu'un système de substitution, cette méthode pourrait constituer l'apport principal en dioxygène et en énergie de toute la structure. Ainsi, ce moyen assurerait l'autonomie d'une vie sous-marine, dans laquelle les Hommes seront en capacité de répondre à leurs besoins et illustrerait la manière responsable et durable d'utilisation des ressources.

L’électrolyse est un procédé qui utilise l’eau (H2O) comme matière première pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène grâce à un courant électrique. Cette molécule est une substance pure qui ne peut être brisée par des moyens physiques. On doit alors lui faire subir une réaction chimique dite d'oxydoréduction afin d'en séparer les différents constituants.

Comment réaliser une électrolyse de manière simplifiée ?

Pour réaliser une électrolyse, on dispose dans un récipient une anode et une cathode, directement reliés à un générateur. Notons que l'on peut rajouter un ampèremètre branché en série afin de mesurer l'intensité du courant dans l'objectif de former un rapport théorique entre intensité du courant émis et quantité de gaz formé.

Dès lors, nous pouvons disposer l'eau dans le récipient afin de débuter la réaction.

Récapitulons, il faut :

- un générateur relié à une prise de courant

- deux électrodes

- un contenant plus ou moins grand rempli d'eau aux 3/4.

Cependant, avant de débuter l'expérience, il faut nous pencher sur quelques aspects pour être certains de sa bonne réalisation.

Lors d'une électrolyse, on utilise deux électrodes soumises à une différence de potentiel. Les deux électrodes sont le siège d'une réaction d'oxydo-réduction provoquée par le courant. Un échange d'électrons entre ces deux électrodes est à la base de la réaction chimique. En effet, l'une est le siège de la réduction, c'est la cathode (reliée au pôle – du générateur). L'autre est le siège de la réaction d'oxydation, c'est l'anode (reliée au pôle + du générateur). Par convention, on dira que le courant entre par l'anode et ressort par la cathode, même si le sens de circulation des électrons se fait dans le sens inverse.

On doit choisir le métal le plus apte pour les électrodes dans une électrolyse. Celui-ci devrait-être le moins sensible possible à la corrosion et à l'oxydation afin de résister efficacement et le plus longtemps possible aux multiples réactions.

Le groupe du platine (Cf. Tableau périodique) contient des métaux répondant parfaitement à ces attentes, mais leur prix d'achat élevé pourrait nous contraindre à opter pour des matériaux plus "bon marché". Le zinc pourrait largement nous satisfaire.

A quoi sert le générateur dans le cas d'une électrolyse ?

Le générateur permet, par l'intermédiaire de pinces crocodiles (câbles de connexion électriques) de transmettre le courant aux électrodes. L'intensité du courant qu'elle émet, mesurée en Ampère, est très importante puisqu'elle est directement reliée à la quantité de gaz produits. Ainsi, plus sa valeur sera grande, plus le rendement sera intéressant. Ce générateur est ainsi à l'origine même de la réaction chimique dite provoquée, puisque actionnée par le courant continu qui en sort.

Cependant, nous devons porter une attention particulière à la tension produite par celui-ci qui ne doit pas déplacer une certaine valeur.

Dans un premier temps, la cathode, qui constitue la plaque négative, reçoit 2 électrons qui réagissent avec l'eau afin de former du dihydrogène et des ions hydroxydes selon l'équation suivante :

2 H2O(l) + 2 e- ——> H2(g) + 2OH-(aq)

Ensuite, au niveau de l'anode, reliée à la borne positive du montage, 4 électrons libérés par la première réaction vont permettre de former de l'oxygène et des ions hydrogènes selon l'équation suivante :

2 H2O (l) ——> O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e-

Les ions de la réaction peuvent réagir ensemble afin de reformer de l'eau. Ainsi, l'équation finale de l'électrolyse est la suivante :

2 H2O (l) ——> O2(g) + 2 H 2(g)

Il y a ainsi une production deux fois plus importante de dihydrogène que de dioxygène.

Cependant, des solutions sensibles au pH comme le bleu de bromothymol peuvent être utilisées dans des cuves séparées. Chacune d'elle contiendra une des deux électrodes, et le montage sera relié à l'aide d'un pont salin.

Ainsi, comme vu précédemment, des ions sont libérés lors des différentes étapes de la réaction chimique. Ceux-ci sont les ions:

1. hydroxydes OH-, caractérisés par un pH basique

2. hydrogènes H+, caractérisés par un pH acide

Ainsi, toujours dans des cuves séparées, l'électrolyte deviendra bleu (pH basique) au niveau de la cathode, et jaune (pH acide) au niveau de l'anode. La solution de BBT (bleu de bromothymol) est ainsi un indicateur de pH acido-basique. L'halochromisme permet alors de mettre en évidence la libération des ions lors de la réaction au niveau des électrodes, et montre donc le bon déroulement de l'expérience.

De plus, à la fin de celle-ci, le mélange des deux solutions devient vert, assurant la neutralité de celle-ci.

Une technique possible sur échantillon est de disposer du fusain préchauffé dans un bocal contenant le supposé dioxygène formé. Ainsi, si une réaction se produit (incandescence), l'électrolyse a bien marché. De même, si l'on approche une légère flamme du supposé dihydrogène produit, on doit entendre une détonation aigüe (cependant, ce dernier test de reconnaissance est très risqué sur une grande échelle et mieux vaut prélever une légère quantité de ce gaz comme pour l'oxygène)

Si le résultat recherché est la production d'oxygène vital à notre corps, nous ne devons pas ignorer la production de dihydrogène, d'autant plus que la quantité formée de ce gaz est double à celle de l'O2. De plus, celui-ci est un gaz très inflammable et explosif... De graves accidents sont vite arrivés. Sa combustion entrainerait d'ailleurs celle de l'oxygène formé...

Ainsi, une utilisation pour ce gaz doit impérativement être trouvée.

Le dihydrogène est un gaz très largement utilisé dans les industries, cependant, cet usage vient à l’encontre de notre projet, qui aspire à un environnement plus sain, et sûrement pas à un accroissement de l’industrie. Pourtant, ce gaz est bien plus éco-responsable que la plupart de ceux exploités actuellement et pourrait quand même constituer une source d’énergie pérenne et durable pour les industriels.

Sources:

UNE Vie sous-Marine durable

Électrolyse

L'électrolyse

© 2015-2016 par TOPS.