Membrane échangeuse de protons, pression et oxydation de l'eau

[Stalacta]

Bonjour à tous !

Je me demandais s'il était possible, d'abord théoriquement, de concevoir une membrane telle qu'elle ne laisse passer QUE les protons, sans laisser passer en particulier les molécules d'eau et les ions autres que H⁺.
Ensuite, on met un côté de cette membrane en contact avec de l'eau soumise à une très forte pression. Enfin, on relie par un conducteur métallique les deux faces de la membrane, de manière à permettre le passage des électrons.
Serait-il possible, théoriquement, d'obtenir de ce "montage" une oxydation de l'eau, et ainsi récupérer de l'hydrogène à la sortie ?
2H₂O -> 4H⁺+4e^-+O₂ -> 4H + O₂

Ensuite, serait-ce possible en pratique ?

Merci d'avance de vos réponses !
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[Kemiste]

Bonjour.

Que cherches tu à faire exactement ? Si tu veux des protons en solution il suffit juste de mettre un acide fort dans l'eau. Tu ne peux avoir avoir une solution constituée essentiellement de protons. Une solution est électriquement neutre. Pourquoi une membrane ? Pourquoi une forte pression ? D'où proviendraient les électrons ?

Ce que tu décris c'est une électrolyse de l'eau donnée par l'équation 2 H₂O -> O₂ + 2 H₂.

[Stalacta]

L'intérêt serait de générer de l'hydrogène (ou plutôt d'"extraire" l'hydrogène de l'eau) comme dans une électrolyse, sauf que ce serait non pas de l'électricité qui permettrait de scinder la molécule mais une pression intense qui pousserait la molécule à travers la paroi.

En gros, c'est un peu le principe de l'osmose inverse, sauf qu'il s'agirait non pas de séparer l'eau des ions Na⁺ et Cl^-, mais de forcer les molécules d'H₂O à se scinder en dioxygène, ions H⁺ et électrons : les ions hydrogène passeraient à travers la membrane (car ce serait pour l'eau le seul moyen de "fuir" la pression intense qui règne de ce côté de la membrane) et les électrons par un conducteur électrique de manière à reformer des atomes d'hydrogènes puis des molécules de diohydrogène de l'autre côté de la membrane (ainsi on reste électriquement neutre de chaque côté), tandis que du dioxygène sera libéré dans l'eau où règne cette forte pression.

A noter que cela pourrait marcher plus simplement s'il existait une membrane qui laisse passer uniquement les atomes d'hydrogène, mais je n'ai jamais entendu parler d'une telle membrane contrairement aux membranes échangeuses de proton qui sont par exemples utilisées dans les piles à combustible.

[Kemiste]

Il n'y a aucune raison pour que sous pression l'eau se décompose comme tu le dis. En augmentant fortement la pression tu vas obtenir de la glace.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Stalacta]

J'avais fait un schéma en attendant. Donc à priori ce ne serait pas possible ?

[Kemiste]

J'avais fait un schéma en attendant.

Imaginons que l'on obtienne H⁺ et e^- en solution. Pourquoi les transférer dans un autre "compartiment" ? La réaction se produirait dans l'eau, que ce soit à "droite" ou à "gauche". Selon ton raisonnement on produirait donc H₂ et O₂ simplement en mettant de l'eau sous pression, ce qui n'est pas le cas. Comme je l'ai dit en augmentant la pression on finit par se retrouver avec de la glace.

Donc à priori ce ne serait pas possible ?

Non.

[ecolami]

Bonjour,
Ce que tu veux faire existe déja c'est le fonctionnement INVERSE d'une pile a combustible. La source d'énergie est bien l'électricité pas la pression.

[Stalacta]

Bonjour,
Ce que tu veux faire existe déja c'est le fonctionnement INVERSE d'une pile a combustible. La source d'énergie est bien l'électricité pas la pression.

Oui, bien sûr, l'inverse d'une pile à combustible est une électrolyse. Mais le but est de remplacer la source d'énergie électrique par une différence de pression qui pousserait les molécules d'eau à passer d'un côté à l'autre de la membrane. Seulement, les molécules d'eau ne pouvant pas passer, j'espérais que seuls les ions hydrogène passeraient - ce qui n'est apparemment pas possible selon Kemiste.

[Kemiste]

Mais le but est de remplacer la source d'énergie électrique par une différence de pression

Le postulat de départ est faux. La pression ne va pas remplacer une source d'énergie et ne permet pas de dissocier les atomes constitutifs de l'eau.

[Stalacta]

Le postulat de départ est faux. La pression ne va pas remplacer une source d'énergie et ne permet pas de dissocier les atomes constitutifs de l'eau.

La pression en elle-même n'est pas une source d'énergie, mais la différence de pression oui (c'est bien comme ça qu'on dessale l'eau de mer). Enfin le débat semble clos si cela ne permettrait pas aux molécules de se dissocier.

[Loupsio]

Le rapport avec le déssalage?
dans le déssalage tu veux purifier la solution et retenir les sels, c'est comme un tamis qui qui te permet de récuperer le petit sable (l'eau) tout en retenant les gros sable (ions)

Sinon il est possible d'avoir une membrane qui laisse passer uniquement les protons, sans même avoir à appliquer de pression d'ailleurs, en revanche tu auras besoin de pompes a protons (protéines, et même s'il est possible d'inserer artificiellement des protons dans une membrane, ca m'étonnerai que tu y arrives de chez toi )
en revanche l'energie doit bien venir de quelque part, dans ce cas là, de l'ATP qu'il faudra donc rajouter dans la solution

Pour la partie chimie je n'ai aucunes certitudes car, même si il y a un equilibre , si jamais tu faisait passer les tu alcalinisera ton milieu et surtout tu n'auras plus de à faire passer et si un molécule d' se redissocie en il y aura juste transfert du proton qui passera sur un voisin, non???


Bref au final pas grnd chose a voir avec le déssalage qui n'est une méthode améliorée du tamisage

[mach3]

Essayons de voir ce qui se passerait en comprimant de l'eau contre une membrane ne laissant passer que les protons (et qui resisterait à la pression exercée).
Dans l'eau, il y a en permanence une petite quantité d'ions hydroxydes et de protons solvatés (appelés hydronium). Supposons que ces protons arrivent à se dessolvater pour passer la membrane, et que quelques uns arrivent de l'autre côté, on a alors une charge positive nette d'un côté et négative de l'autre et un champ électrique apparaît. La force électrique résultante va s'opposer au passage des protons, il faudra pousser de plus en plus fort pour que transfert continue.
Si on met un conducteur entre les deux compartiments, en espérant que des électrons voudront bien passer pour annuler cette différence de potentiel (et reduire les proton au passage pour produire H2), il est évident que cela sera impossible tant que la ddp ne sera pas superieure à celle nécessaire à l'electrolyse de l'eau : il faut au moins cela pour arracher des électrons aux molécules d'eau ou ions hydroxydes et les amener aux protons.
Impossible de calculer quoi que ce soit sans connaître les caractéristiques de la membrane (surface? épaisseur? constante dielectrique?...)

Bien qu'incapable de faire calcul (il faut un pro de l'electrochimie), je dois vous dire qu'à priori je ne la sens pas votre histoire...

m@ch3

[Kemiste]

Et surtout d'où proviendraient les électrons ? Ils ne vont pas apparaître spontanément du fait de la différence de pression.

[Loupsio]

Mais la pression n'est pas necessaire, d'ou la présence de pompes a proton ATP dépendantes, et dans ce cas là on a bien une charge nette positive et négative de part et d'autre (a supposer que les pompes protons soient orientées dans la membrane ou de ne mettre de l'ATP que d'un coté pour ne pas activer e transport en sens inverse)
et sachant que c'est ATP dépendant, pas de problème de gradient, les pompes n'ont pas de problèmes à remonter un gradient

quant aux électrons effectivement, ils ne vont pas s'arracher des OH- comme ca
Enfin bref, même si le transport selectif des protons est possible, je reste sceptique sur l'idée de stalacta ^^

[mach3]

Et surtout d'où proviendraient les électrons ? Ils ne vont pas apparaître spontanément du fait de la différence de pression.

Ils proviendraient des molécules d'eau ou des ions hydroxydes situés du côté sous pression qui serait chargé négativement du fait que quelques protons sont partis seuls (sans contrepartie de charge négative) de l'autre côté, qui du coup serait chargé positivement. Ces charges seraient responsables d'une différence de potentiel entre les deux côtés. Si cette ddp est suffisante, des électrons seront arrachés aux molécules d'eau ou ions hydroxydes (oxydés du coup) du côté sous pression, passeront dans le conducteur et rejoindront les protons (reduits en H2).

Ce n'est pas farfelu, cela tient debout dans le principe, mais la pression nécessaire pour que l'electrolyse (parce que cela en est une) demarre est certainement colossale.

m@ch3

[mach3]

Pour se rendre compte de la possibilité du truc ou pas, on pourrait peut-être imaginer le processus inverse, une pile à combustible, avec de l'hydrogène dissout dans l'eau d'un coté de la membrane perméable aux protons, de l'oxygène dissout dans l'eau de l'autre. Les deux compartiments seront considérés de volume constant. Spontanément, la réaction va s'opérer (c'est une pile), du courant va circuler dans le conducteur reliant les deux compartiments et chaque molécule d'oxygène dissoute va donner deux molécules d'eau, ce qui va augmenter progressivement la pression du coté oxygéné (à l'inverse la pression baisse de l'autre coté, car des molécules de dihydrogène "passent" de l'autre coté, sans contrepartie).
L'augmentation de pression va être très forte, car une solution aqueuse n'est que peu compressible, si bien que le différentiel de pression entre les deux coté va vite devenir énorme et empêchera tout simplement les protons de continuer à passer. Pour être plus clair la-dessus, à tout moment, il y a des protons qui vont de gauche à droite et de droite à gauche à travers la membrane, si à un moment donné il y a autant de protons qui font le trajet dans les deux sens (les uns poussés par la différence de potentiel électrochimique dans un sens, les autres par la pression dans l'autre sens), le bilan net est nul. Une telle pile à combustible s'arrête forcément dès lors qu'une certaine différence de pression est atteinte.
Dès lors on peut imaginer que si on augmente la pression encore plus, en réduisant le volume du compartiment déjà sous pression, on inverse le sens de la réaction.

m@ch3

[Stalacta]

Ils proviendraient des molécules d'eau ou des ions hydroxydes situés du côté sous pression qui serait chargé négativement du fait que quelques protons sont partis seuls (sans contrepartie de charge négative) de l'autre côté, qui du coup serait chargé positivement. Ces charges seraient responsables d'une différence de potentiel entre les deux côtés. Si cette ddp est suffisante, des électrons seront arrachés aux molécules d'eau ou ions hydroxydes (oxydés du coup) du côté sous pression, passeront dans le conducteur et rejoindront les protons (reduits en H2).

Ce n'est pas farfelu, cela tient debout dans le principe, mais la pression nécessaire pour que l'electrolyse (parce que cela en est une) demarre est certainement colossale.

m@ch3

Oui, tu as parfaitement compris le mécanisme que j'ai imaginé. L'objectif est de "forcer" les H à se séparer de la molécule d'eau par une différence de pression plutôt que par de l'électricité. Toute la question est de savoir si la membrane résistera à la différence de pression (potentiellement colossale) qui serait nécessaire pour équivaloir à l'énergie qu'il faut pour une électrolyse.