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Théorie & Technique>Propriétés de l'eau>Décomposition

Première version: 31/08/2002
Dernière version: 2015-11-09

Propriétés de l'eau (6/8)
Décomposition de l'eau

Sommaire de la page


Vocabulaire utilisé 

propergol = carburant hydrogène H2 et comburant oxygène O2

Symboles : - signifie une liaison covalente, ... une liaison hydrogène.

Séparation de la molécule d'eau

Nous allons déjà parler de l'électrolyse classique, afin de montrer que cette dernière n'est pas une bonne solution pour fabriquer de l'hydrogène en grandes quantités et à bon coût énergétique.

Électrolyse de l'eau

En 1800, Volta fabrique sa pile, qui ouvre la voie à l'électricité en mouvement (auparavant, on restait dans le domaine de l'électrostatique). C'est la même année que sont réalisées les premières électrolyses de l'eau.

L'électrolyse de l'eau s'effectue généralement en milieu alcalin (milieu basique, pH>7), en rajoutant une solution de soude NaOH.
En effet, il faut qu'il y ai un transport d'électrons dans le liquide, et l'eau pure est isolante (pas de porteurs de charge en son sein, ou très peu). Pour améliorer la conductibilité de l'eau, classiquement on prend l'eau du robinet (avec le calcaire et les sels minéraux, elle est conductrice), mais aussi de la soude, ou de l'acide sulfurique.
Quand on ajoute de la soude à l'eau pure, l'électrolyte ainsi formée contient des ions hydroxydes OH- et les ions Na+. Si l'on plonge deux électrodes, la cathode reliée au pole - d'une batterie et l'anode reliée au pôle + :

- A l'anode, les ions OH- se déchargent dans une réaction d'oxydation (les électrodes étant placées à une ddp supérieure ou égale à 1,23 V, potentiel standard de cette réaction), et il se forme de l'eau et de l'oxygène : 2 OH- => H2O + O + 2 e-, suivie de 2O => O2. Les ions hydroxydes cèdent donc à l'anode des électrons, et se transforment en eau et oxygène gazeux. Comme les ions Na+ ne changent pas, la neutralité électrique de la solution n'est plus respectée, il faut refournir des ions OH-. C'est ce qui est fait à la cathode.
- A la cathode, il y a une réaction de réduction, c'est à dire que l'électrode va fournir 2 e- à l'eau, qui se transforme en ions OH- et en hydrogène gazeux, suivant la réaction H2O + e- => OH- + H, suivi de la réaction 2 H => H2.

Les réactions ne se font qu'à la surface des électrodes, car il faut un contact pour qu'il y ait échange d'électrons, l'eau, avec ses liaisons covalentes, ne pouvant conduire le courant électrique. Seuls les ions hydroxydes se déplacent, selon un procédé très rapide (les molécules d'eau se transformant l'une après l'autre en ion OH-, avant de redevenir une molécule d'eau, c'est ce qui permet le transport des charges).
L'échange d'électron est le même à la cathode qu'à l'anode, le courant électrique se conservant. La quantité de soude dissoute ne varie pas au cours de l'électrolyse.

En milieu acide, on a les réactions suivantes :

- à l'anode : 6 H2O => 4 H3O+ + O2 + 4 e- (comme on produit des protons H+, le milieu devient encore plus acide)
- à la cathode : 4 H3O+ + 4 e- => 4 H2O + 2 H2

En milieu alcalin, la plupart des matériaux se stabilisent (ils sont protégés par leur couche d'oxyde). Alors qu'en milieu acide, la couche d'oxyde ne tient pas et l'électrode se dégrade. Par contre, comme il n'y a pas de couche d'oxyde pour opposer une résistance au passage des électrons, le rendement est bien meilleur en milieu acide.

La nature de l'électrolyte change la réaction (par exemple, en mettant des additifs pour améliorer la conductibilité de l'eau, nulle pour l'eau pure), de même que la forme géométrique, la nature de l'alliage et la texture des électrodes.
Pour améliorer le rendement électrolytique classique, on peut apporter les diverses améliorations suivantes :
- Rayer la surface des électrodes pour augmenter la surface de contact, ce qui permet une libération plus rapide des bulles de gaz produites, plus larges.
- placer des aimants, de préférence de même pôle (soit le sud, soit le nord uniquement). Ou alors un champ magnétique alternatif.
- Une source de lumière ultraviolette pour améliorer la séparation de la molécule.
- Des ultra sons, à la fréquence de 600 Hz, ou aux fréquences de 620 - 630 - 12 000 - 42 800 cycles par seconde.
- Une large surface d'électrodes, des convolutions, etc. pour une meilleure génération de gaz (il y a plus de courant qui passe, les quantités d'eau participant au transport des électrons étant plus importantes).
- Les liaisons sont cassées plus facilement si la chambre est chauffée.
- Employer un courant continu avec un courant alternatif avec des impulsions d'amplitudes d'excitation, le DC gardant l'eau excitée, l'AC lui donnant des secousses aux fréquences suivantes : 620 - 630 - 12 000 - 42 800 Hz.

Pour calculer les énergies à mettre en jeu pour libérer le volume de gaz désiré, on utilise la notion de valence-gramme, d'après la loi de Faraday.
Définition de la valence-gramme : pour libérer une mole d'H2, il faut fournir 6,0221367.1023 * 2 électrons (2 e- nécessaire pour générer la molécule d'H2, sachant qu'il y a 6,0221367.1023 molécules dans une mole d'H2). La valence de l'atome d'hydrogène H est 1 (c'est le nombre d'électrons qu'il perd lorsqu'il s'ionise), la valence de l'hydrogène H2 est 2 (il y a deux atomes de H de valence 1). Il faut donc nombre d'électrons*charge de l'électron=2*6,0221367.1023*1,602 177 33.10-19=192 970,618 Coulomb pour produire 1 mole d'H2. Si l'on parle d'une mole de l'atome H (c'est la définition de la valence-gramme), il nous faut alors une quantité deux fois moins grande, soit 96 485,3 C. C'est ce qu'on appelle la constante de Faraday notée F.
L'énergie est obtenue en multipliant la charge mise en jeu (en coulomb) par le trajet qu'elle doit parcourir, c'est à dire la ddp (en V) entre les deux électrodes. On obtient des Joules. Une faible ddp diminuera l'énergie nécessaire pour produire une mole de gaz, mais le temps mis sera alors très long. Si l'on augmente la ddp, on augmente l'intensité (Ampères (A) = Coulomb par seconde (C/s)), donc la mole de gaz sera libérée beaucoup plus rapidement, mais l'énergie fournie sera aussi plus importante, sachant que l'énergie récupérée par la combustion du gaz H2 sera la même dans les deux cas. Si l'on augmente la tension, on diminue le temps de production, mais on dégrade fortement le rendement (qui passe de presque 100 % à 50 %).

La plus petite quantité nécessaire pour électrolyser une mole d'eau électrolyse est 65.3 Wh (soit 235 080 J, or il faut 2F = 193 000 C pour séparer une mole d'eau et obtenir une mole d'H2, donc une tension min de 1,22 V) à 25 °C. Si l'on recombine une mole d'H2, on libère une énergie lors de la combustion de 67,2 Wh (à partir d'une mole à 2,016g et d'un PCI à 241 kJ/mole). 2 Wh d'énergie supplémentaire sont obtenus dans le meilleur des cas.
Les conditions optimales pour l'électrolyse sont une tension de 1,23 V et une température de 25°C, conditions pour lesquelles la réaction est endothermique et le rendement proche de 100 %. Si l'on dépasse les 1,47 V, la réaction devient exothermique (dégradation du rendement).

Une des explications de l'apparition de chaleur lors de l'électrolyse industrielle est l'existence d'une double couche à l'interface électrode/électrolyte, cette double couche dûe aux espèces issues de la dissociation, oppose une résistance au passage des électrons, ce qui provoque des pertes Joules à l'interface (augmentée par la discontinuité du milieu conducteur). Comme les intensités utilisées en industrie sont de l'ordre de 200 kA (200 000 Ampères), l'échauffement devient considérable. Cette chaleur favorise la réaction, mais doit néanmoins être contrôlée car elle pourrait s'emballer.

Voir dans le paragraphe 2.6 de la pertinence d'utiliser l'électrolyse comme carburant automobile.

Dans la molécule, règnent les forces suivantes : la force coulombienne entre le noyau (charge électrique positive) et les électrons (charge électrique négative), le champ électrique entre la zone oxygène, plus négative électriquement car attirant plus les 2 e- de la liaison covalente, et la zone hydrogène plus positive. Regarder à quoi correspond la liaison covalente, et pourquoi l'e- reste accroché à son noyau.

L'énergie d'ionisation des atomes d'oxygène et d'hydrogène est la même, ce qui est étonnant. Elle correspond à 13,6 V.

Photolyse - Fréquence radio

Les fréquences radio (qui sont de la lumière/photons basse fréquence, rappelons le) peuvent ioniser le gaz hydrogène (le transformer en protons). C'est cette technique qui est utilisée dans le VASIMR (fusée à magnétoplasma à impulsions spécifiques variables).

Photolyse - Fréquence lumineuse

C'est le principe de la photosynthèse ou de la cellule photovoltaïque : le photon qui touche un atome en excite les électrons, qui passent à un niveau d'énergie supérieur. Ces atomes sont généralement des semi conducteurs, les conducteurs ayant un gap trop faible pour empêcher l'électron excité de redescendre à son niveau d'énergie antérieur en renvoyant un photon, et les isolants un gap trop grand pour que l'énergie du photon soit suffisante pour changer le niveau d'énergie du photon.
A partir de cette réaction de photosynthèse, il est possible de l'exploiter suivant 2 voies : soit récupérer les électrons excités pour fabriquer du courant, soit récupéré les ions H+ générés pour fabriquer de l'hydrogène. Cette voie est en cours de développement depuis la fin des années 90 en utilisant des algues, voir les articles de Sciences et Vie à ce sujet.

Energies supplémentaires

Voici ce qui arrive de l'espace et est absorbé par la ionosphère pour produire le plasma froid caractéristique de cette région :
- Rayonnement X ou UV provenant du soleil.
- électrons, protons ou particules α (hélium sous forme de gaz) d'origine cosmique ou solaire.
- précipitations de poussières météoritiques.

La terre est protégée d'une part par son atmosphère, et d'autre part par son champ magnétique qui fait bouclier contre les ondes très énergétiques. Lors de l'absorption ou de la déviation de ces ondes, il doit se produire des variations dans le champs magnétique terrestre, ce qui est peut-être exploitable de l'avis de Nikola Tesla.

Les particules qui viennent de l'espace et bombardent la terre :
- les muons: issus de la désintégration des rayons cosmiques dans la haute atmosphère. Mesurés à 10 000 particules/m²/min. Ils pénètrent la matière 40 fois pieux que les rayons X. Ce sont des particules chargées, leur trajectoire dévie plus ou moins selon la densité de l'objet traversé. On mesure l'importance de la déviation pour détecter les armes dans les aéroports.
- Le rayonnement fossile (ondes radio). Bien après le big bang (quand l'univers fut suffisamment refroidi), les électrons se sont liés aux protons. Les deux systèmes passent alors dans un état énergétique plus faible, l'énergie libérée étant émise sous forme de photons. Ce rayonnement nous parvient encore aujourd'hui du fond de l'univers, et est responsable de la neige sur les téléviseurs.
- Une mystérieuse énergie sombre accélère l'expansion de l'univers (si l'on part du principe qu'il est en extension (supposé à cause de l'existence du red shift ou décalage dans l'infrarouge)), mais on ne peut pas la voir et on ne sait pas dans quoi elle se trouve. Le physicien Jean Pierre petit pense que cette énergie sombre, hypothèse communément admise pour rendre compte du fait que les galaxies s'éloignent plus vite les unes des autres que ne l'autorise la théorie de la gravitation de Newton, est une fausse hypothèse et qu'il faut plutôt chercher une explication dans l'existence de masses négatives positionnées dans un univers jumeau.
- Le soleil nous bombarde de neutrinos, dont l'immense majorité traverse la terre comme si elle n'existait pas, tant est faible leur propension à réagir.

Catalyse

L'adsorption de la molécule d'eau à la surface de certains corps peut fragiliser les liaisons H-O, favorisant ainsi la dissociation (par exemple en abaissant la température nécessaire à la pyrolyse, ou le courant électrique à l'électrolyse).

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à suivre...


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