Eval 2014-15

Spécialité Physique-Chimie
Exercice 1 : HOUSTON, on a un problème !
Lundi 13 avril 1970, 21h 59 HNE
« L’équipage d’Apollo 13 souhaite à tous une agréable soirée. Nous sommes en train de terminer l’inspection
d’Aquarius et nous nous préparons à réintégrer Odyssey. Bonne nuit. »
Sur ces mots, alors qu’un magnétophone flotte autour de lui en jouant le thème musical du film « 2001 :
L’Odyssée de l’espace », le commandant Jim Lovell met fin à cette émission vidéo commencée à 21h 24.
Lovell et son coéquipier Fred Haise, se préparent ensuite à prendre des photos de la comète Bennett mais,
auparavant, le Centre de contrôle, à Houston, leur demande d’activer les éventails à l’intérieur des réservoirs
d’oxygène liquide et d’hydrogène liquide alimentant les piles à carburant qui produisent l’électricité et l’eau
potable. Dans l’espace, les gaz liquéfiés ont tendance à se stratifier et il faut donc les remuer de temps en
temps. Soudainement, à 22h07, alors que le vaisseau lunaire, voguant vers sa destination, se trouve à presque
330 000 km de la Terre, un bruit sec se fait entendre. « Houston, on a un problème ! ».
La gravité de l’accident est vite confirmée par les données de télémétrie. Dans le module de service, le
réservoir d’oxygène n° 2, où deux fils dénudés du moteur électrique de l’éventail se touchent, vient
d’exploser, entraînant la mise hors service du réservoir n° 1 de dihydrogène, deux des trois piles à carburant
ne fonctionnent plus.
À Houston, le directeur de vol Eugene F.Kranz rappelle ses troupes à l’ordre. L’ancien aviateur de la Guerre de
Corée s’emploie à secouer les contrôleurs médusés de son équipe afin qu’ils se concentrent sur les problèmes
qu’ils ont à résoudre. Il annule d’abord l’atterrissage sur la Lune. Puis, il affirme que le seul enjeu qui doit
dorénavant mobiliser les énergies du Centre de contrôle est le retour sain et sauf des trois astronautes,
concluant avec quatre petits mots qui passeront à l’histoire :
« Failure is no option»
De quel délai dispose les astronautes pour revenir sur Terre ?
Le module de commande est la partie du vaisseau Apollo dans laquelle les trois astronautes séjournent
durant la mission. Pesant 6,5 tonnes et de forme conique, sa structure externe comporte une double paroi :
une enceinte constituée de tôles et nid d'abeille à base d'aluminium qui renferme la partie pressurisée et un
bouclier thermique qui recouvre la première paroi.
L'espace pressurisé représente un volume de 6,5 m³. Les
astronautes sont installés sur trois couchettes placées côte
à côte et parallèles au fond du cône. Les couchettes sont
constituées d'un cadre métallique sur lequel a été tendue
une toile ignifugée.
Les besoins électriques : Le vaisseau Apollo nécessite une
puissance électrique moyenne de 1,40 kW pour alimenter
l’ensemble des systèmes électriques.
Les besoins de l’équipage sont les suivants :
 0,82 kg de dioxygène par jour et par personne.
 4,0 kg d’eau par jour et par personne.
Le module de service est un cylindre d'aluminium non pressurisé de 5 m de long et 3,9 m de diamètre, pesant
24 tonnes. Il est accouplé à la base du module de commande et la longue tuyère du moteur-fusée principal de
9 tonnes de poussée en dépasse de 2,5 m. Le module contient trois piles à combustible qui fournissent la
puissance électrique et en sous-produit l'eau, ainsi que les réservoirs de dihydrogène et de dioxygène qui les
alimentent (système de stockage cryogénique CSS).
Le dioxygène est également utilisé pour renouveler l'atmosphère de la cabine. (…). Le système de production
électrique est composé de trois piles à combustible indépendantes, pouvant fournir chacune une puissance
électrique nominale de 1,4 kW. Le système de production électrique consomme 21 moles de dihydrogène
pour produire 1,0 kW pendant une heure.
Le système de stockage cryogénique CSS.
Le système de stockage cryogénique (CSS) du vaisseau Apollo a été conçu pour fournir les réactifs des piles à
combustible ainsi que le dioxygène nécessaire pour la respiration des trois hommes d'équipage.
Spécialité Physique-Chimie
Les deux réservoirs de dioxygène ont la forme de sphères de 66 cm de diamètre. Ils sont fabriqués dans un
alliage de nickel et d’acier. Chacun peut contenir 147 kg de dioxygène.
Les deux réservoirs de dihydrogène sont faits de titane et mesurent environ 81 cm de diamètre. Chacun peut
contenir 12,8 kg de dihydrogène.
Les piles à combustible alcalines (ou AFC, de l'appellation anglaise « Alkaline Fuel Cell ») sont une des
techniques de piles à combustible les plus développées. Les AFC consomment du dihydrogène et du
dioxygène pur en produisant de l'eau potable, de la chaleur et de l'électricité. Elles sont parmi les piles à
combustible les plus efficaces.
La pile à combustible produit de l'énergie grâce à une réaction d'oxydo-réduction entre le dihydrogène et le
dioxygène.
À l'anode, le dihydrogène est oxydé. Les électrons produits transitent par un circuit électrique externe à la
pile jusqu'à la cathode, où ils réduisent le dioxygène.
Données : masse molaire atomiques : M (O ) = 16,0 g/mol ; M (H) = 1,0 g/mol
Exercice 2 : Principe de fonctionnement d’une cellule élémentaire
De façon générale, le fonctionnement électrochimique d’une cellule élémentaire de pile à combustible peut
être schématisé selon le schéma 1.
Chaque cellule élémentaire est constituée de deux compartiments disjoints alimentés chacun en gaz
réactifs dioxygène et dihydrogène. Les deux électrodes sont séparées par l’électrolyte, solution qui
laisse circuler les ions. Du platine est inséré dans les deux électrodes poreuses.
1. Pour cette pile acide, les équations des réactions aux électrodes s’écrivent :
H2(g) = 2 H+(aq) + 2 e–
+
–
O2(g) + 4 H (aq) + 4 e
= 2 H2O(l)
Des deux gaz réactifs préciser quel est le réducteur et quel est l’oxydant. Justifier la réponse.
Montrer que l’équation de la réaction globale de fonctionnement s’écrit :
2 H2(g) + O2(g)
= 2 H2O(l)
2. Pour l’environnement quel est l’avantage d’une pile à combustible utilisant le dihydrogène par rapport à
un carburant classique ?
3. Des électrodes 1 ou 2, quelle est celle appelée « cathode » ? Justifier.
4. Indiquer sur le schéma le sens de circulation des électrons. En déduire à quelle électrode correspond le
pôle positif de la pile et à quelle électrode correspond le pôle négatif.
5. Une cellule élémentaire fonctionne pendant une durée t = 192 h et débite un courant d’intensité
considérée constante I = 300 A. En utilisant les équations des réactions se produisant aux électrodes,
calculer la quantité de matière de chacun des gaz réactifs nécessaire au fonctionnement d’une cellule
élémentaire.
On donne la constante d’Avogadro NA = 6,021023 mol-1 , la charge électrique élémentaire : e = 1,610 –19 C.
électrode 2
H2(g)
H2O, vapeur et liquide, H2(g)
R
électrode 1
O2(g) , N2(g)
H2O (l)
H+(aq)
O2(g) , N2(g), H2O,
vapeur et liquide
Électrolyte
Spécialité Physique-Chimie
Exercice 1 : HOUSTON, on a un problème !
https://www.youtube.com/watch?v=kAmsi05P9Uw
Extraire :
On a deux réservoirs de 147 kg de dioxygène et deux réservoirs de 12,8 kg de dihydrogène. Après l’explosion,
il ne reste qu’un réservoir de chaque.
Le système de production électrique consomme 21 moles de dihydrogène pour produire 1,0 kW par heure.
Les besoins de l’équipage sont les suivants :
 0,82 kg de dioxygène par jour et par personne.
 4,0 kg d’eau par jour et par personne.
Analyser / réaliser :
On a 147 kg de dioxygène soit en mole : n( O2) = 147 000/32 = 4593,75 mol
On a 12,8 kg de dihydrogène soit en mole : n(H2) = 12 800/2 = 6 4000 mol
Le système de production électrique consomme 21 moles de dihydrogène pour produire 1,0 kW pendant une
heure.
En une journée pour produire 1,4 kW, la puissance électrique nominale, il faut : 1,4 × 21 × 24 = 705,6 mol de
dihydrogène par jour.
Le dihydrogène permet de rester : 6 400 / 705,6 = 9,07 jours.
D’après l’équation de la pile : O2 + 2 H2  2 H2O il faut en dioxygène la moitié du dihydrogène :
n(O2) = n (H2) / 2 = 705,6/2 = 352,8 mol par jour
De plus, l’équipage a besoin de 0,82 kg × 3 = 2,46 kg = 24600 g soit en mole : n(O2) = 24 6000/ 32 = 76,8 mol
En tout il faut : n(O2)t = 352,8 + 76,8 = 429,6 mol
Le dioxygène permet de rester : 4593,75 / 429,6 = 10,7 j
Reste à vérifier la consommation en eau :
En effet, il faut : 4,0 × 3 = 12,0 kg par jour
On a d’après l’équation de produit : n (H2O) = n(H2) = 705,6 mol
ce qui fait en masse : m(H2O) = 705,6×1 = 12,7 kg
Correction : entourer les notes dans les curseurs.
Extraire
0
1
Analyser qdm
0
1
Analyser jour
0
2
Analyser eau
0
2
Communiquer
0
1
/ 20 pts
2
2
4
4
2
3
3
5
5
3
6
6
4
EXERCICE 2. LE DIHYDROGÈNE POUR LA PROTECTION DE L’ENVIRONNEMENT
réduction
1. Le dihydrogène subit une oxydation c’est donc le réducteur.
le dioxygène subit une réduction c’est donc l’oxydant.
Ox + n e– = Réd
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.
oxydation
+
–
[
H2(g)
O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e–
Soit
= 2 H (aq) + 2 e
= 2 H2O(l)
] 2
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)
Spécialité Physique-Chimie
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.
3. A la cathode, il se produit la réduction du dioxygène, c’est donc l’électrode où arrive le dioxygène, soit
l’électrode 1.
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
–
e
–
+
5.
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 =
A l'anode:
I .t
N A .e
H2(g) = 2 H+(aq) + 2 e–
donc nH consommée =
2
I .t
2.N A .e
300  192  3600
= 1076 mol

2  6,02.1023  1,6.1019
n
e
produite
2
nH 2 consommée =
nH 2
A la cathode: O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e–
nO2 consommée =
soit nH = 1,1103 mol
2
= 2 H2O(l)
n
e
consommée
4
donc nO consommée =
2
300  192  3600
I .t
=
= 538 mol
4  6,02.1023  1,6.1019
4.N A .e
soit nO consommée = 5,4102 mol
2
ou plus rapide: d’après l’équation chimique de fonctionnement de la pile
nH 2
= nO
2
2
 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'après l'équation globale:
nH 2conso = 2x =
d'autre part Q = I.t,
et nO conso = x =
2
I .t
.
4 N A .e
300  192  3600
I .t
=
= 1076 mol
2 N A .e 2  6,02  1023  1,6  1019
3
soit nH = 1,110 mol
2
donc x =
I .t
2
= 538 mol = 5,4.10 mol
4 N A .e