Rendement faradique de l'électrolyse de l'eau

[Alpha8872]

Bonjour,
Lors de récentes expériences pour un projet scientifique sur l'électrolyse de l'eau, il m'est arrivé un problème concernant le rendement de la réaction.
En effet, j'ai réalisé diverses électrolyses d'eau acidifiée (avec de l'acide sulfurique, pour différentes concentrations) mais après avoir relevé le volume de dihydrogène obtenu, j'ai voulu exploiter les résultats en calculant le rendement faradique mais j'ai à chaque fois obtenu un rendement supérieur à 1, ce qui n'est clairement pas normal.
C'est d'autant plus étrange que j'ai refait plusieurs fois la même expérience, en étant très attentif sur le volume final, et ni moi ni mon prof de physique n'ont trouvé d'erreurs de calcul ou de raisonnement
(L'utilisation de I pour déterminer le volume théorique était correcte, et l'application de la loi des gaz parfaits menait à chaque fois à un résultat impossible...)
Ainsi je voulais savoir si qqn avait déjà eu ce problème ou quelles pistes pourraient vraisemblablement être approfondies afin de trouver l'erreur.
Merci d'avance
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[chimhet]

Bonjour,
Vous n'avez pas oublié le coefficient 2, par hasard ?

mauvaise idée désolé

[gts2]

Bonjour,

Si vous donniez le détail des calculs, on pourrait peut-être trouvé. D'un point de vue expérimental, il me semble difficile qu'il y ait une erreur (sauf confusion de calibre/unité mais là l'erreur serait énorme)

[moco]

Donnez-nous des informations numériques sur la valeur du courant utilisé, la durée de l'expérience, le calcul du volume de gaz H2, et les calculs que vous avez effectués.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Alpha8872]

Bonjour,
Non en effet je l'ai bien pris en compte

[titijoy3]

Ma remarque est sans doute idiote mais la température est elle prise en compte ?

[Alpha8872]

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Bonjour,
Pour ce qui est calcul, je suis donc parti sur le rendement de Faraday de la réaction :

r= Vexp/Vthéo
Avec Vexp le volume final obtenu à la fin de la réaction, et Vthéo le volume censé être le volume maximal que l’on puisse obtenir.
Je l’ai déterminé grâce à la circulation des électrons pour ensuite calculer le nombre de moles de H2 formé grâce à l’équation de demi-réaction et enfin le volume correspondant grâce à la loi des gaz parfaits :
n(e^- )= (I × Δt)/F et 2H^++2e^-→H₂ d’où n(e^+ )/2= n(H₂)/1= (I × ΔT)/(2 ×F)
Ainsi, on obtient : P ×Vthéo=n(H₂)théo×R ×T
Ou encore : Vthéo= (I × Δt ×R ×T)/(2 ×F ×P )
Pour ce qui est calcul des valeurs de Vthéo j’utilise Python pour seulement avoir à rentrer les valeurs expérimentales nécessaires, et même si les fonctions sont simples, il n’est pas impossible au vu de mon piètre niveau en informatique qu’une erreur d’indentation ou une confusion d’opérateur se soit glissée dans le programme (ce qui m’étonnerait cependant, car le programme ne renvoyait pas de messages d’erreur… Je revérifierais son contenu au cas où et calculerais surement les valeurs à la main, pour bien être sûr).
Et niveau calibre il me semble que tout était bon, j’avais fait revérifier les branchements du circuit mais rien d’anormal à signaler…
Une des pistes d’erreur que j’avais commencé à explorer est celle d’un mélange d’O2 et d’H2 dans l’éprouvette dédiée à recueillir ce dernier, mais le volume correspondant était bien 2 fois supérieur à celui d’O2 formé, donc dans le cas où de l’O2 se serait invité chez H2, il y aurait également le contraire donc Vexp s’avère quand même correct.
Sinon j’ai pensé au fait qu’on ne puisse pas assimiler le gaz formé à un gaz parfait, et je vais donc essayer d’utiliser la formule de Van der Waals pour peut-être obtenir un résultat cohérent mais j’ai malheureusement l’impression que cela ne fera que diminuer Vthéo…
(P+ (n^2×a )/V^2 )×(V-n ×b)=n×R×T
Avec a et b des constantes propres à chaque gaz.

(Je me rend malheureusement compte que l'éditeur Word n'est pas ami avec celui du forum, les formules ne sont donc vraiment pas belles, j'en suis désolé. Elles le seront sur le fichier Word si besoin, que je joins en pièce-jointe)
Forum.docx

[Alpha8872]

Bonsoir, pour mon expérience la plus récente, voici les données :
• C(H2SO4) = 1.0 × 10-1 mol. L-1
• I = 2.00 A (Intensité constante tout du long de la réaction, j’y ai bien fait attention)
• U = 23.9 V au maximum (Tension entre les 2 électrodes de l’électrolyseur, utile pour le calcul du rendement énergétique)
• Δt = 10 min
• T = 298.9 K au maximum ( j’ai pris la valeur maximale pour le calcul du Vthéo, dans le but qu’il soit le plus grand possible mais il reste insuffisant)
• Enfin, on obtient Vexp = 1.59 × 10-1 L

[Alpha8872]

Bonsoir,
En effet, comme elle est indispensable pour l'application de la loi des gaz parfaits, j'ai bien pris en compte la température à laquelle se déroulait la réaction, en prenant par ailleurs la valeur maximale que je mesurais (car elle variait de temps à autres) dans le but de maximiser mon Vthéo. Malheureusement cela n'a pas suffi...

[Alpha8872]

Bonsoir,
En naviguant parmi les questions similaires déjà posées sur ce forum, j'ai remarqué dans une discussion nommée "Rendement faradique" qu'un utilisateur nommé Fajan posait un nom sur ce problème, à travers les "réactions électro catalytiques" pour les électrolyses avec un rendement faradique > 1. Je vais donc creuser cette piste, car si cela se trouve il n'est alors pas impossible d'avoir un tel rendement (c'était pour moi assez contre intuitif d'avoir de telles valeurs, d'autant que je ne travaille pas sur la fusion nucléaire où là ça ne m'aurait pas choqué).

[40CDV20]

Bjr,
Pour m’être trouvé dans une situation proche, il y a quelques années,.. !
Conduite avec méthode et rigueur cette manipulation est typiquement un TP de 3ème année et comme il s’agit d’une fabrication électrochimique, avec une finalité industrielle priorisant la production d’H2. A l’époque O2 était considéré comme un quasi déchet !
Soit, cellule à diaphragme, contrôle de température, agitation, électrodes de platine…, électrolyte de grande pureté et déchloruré (dans le cas présent de la potasse),… sans oublier l’équipement permettant le tracé intensiodynamique de courbes de polarisation cathodique (in fine, il convenait de sélectionner des matériaux d’électrodes moins onéreux que le platine)
Production horaire, rendement faradique, consommation énergétique, rendement énergétique sont donc au menu.
Ce qui posait toujours problème était le rendement faradique, du fait de l’impossibilité d’empêcher les pertes de gaz par diffusion. Ceci fait qu’il était le paramètre le moins considéré.
Quant à cette singularité de rendement et sous réserve bien entendu ?
Je crois me souvenir qu’en condition opératoire nominale, la production horaire mesurée par unité d’électrode M, est sensiblement > M théorique. Dans une projection industrielle, il convenait donc de réduire d’éventuelles réactions chimiques/électrochimiques secondaires, concurrençant la réaction d’électrode, pour tenir au plus près M théorique
Voyons d’autres avis plus actualisés !
Cdt

[Alpha8872]

Bonjour,
Malheureusement j'ai à disposition du matériel très limité, et j'étudie donc seulement l'influence de l'électrolyse et de leur concentration, de l'intensité à laquelle se déroule la réaction ou encore de la composition des électrodes, ce qui en fait une expérience assez basique.
Je n'utilise donc pas de membrane echangeuse de proton ou autre technologie pointue.
Je n'ai cependant pas compris votre question à la 16ème ligne, était ce une question rhétorique pour signaler qu'il était normal d'avoir un tel résultat ?
Les résultats obtenus me paraissent tout de même impossible, nottament après la lecture de thèses sur des réactions electrocatalytiques où le rendement faradique était bel et bien inférieur à 1...
De plus l'empêchement de réactions secondaires ne pousserait il pas à accroître le rendement plutôt que de le diminuer ?

[Kondelec]

Bonjour

Avant d'invoquer des raisons farfelues il faut revenir aux fondamentaux :

2A sur 10min ça fait 1200C, soit 0.0124 mole d'e-, soit 6.22 mmol d'H2
Avec 299K et P = 101300 Pa ça devrait faire 0.153l
tu trouves 0.159, soit une différence de 4%, ce n'est pas très différent non plus.
Si tu prend en compte l'incertitude sur le volume prélevé, la t° et pression dans l'éprouvette qui collecte le gaz, la mesure d'intensité et de durée je pense que tu vas dépasser cette marge d'erreur.

[petitmousse49]

Bonjour
Tenir compte de la pression partielle de la vapeur d'eau ?
Pression de vapeur saturante de l'eau à 20°C : 2,34kPa